前几天“天问一号”在距离火星约220万千米处获得了第一幅火星标准照,一直习惯了NASA发布的火星照片,第一次看到CNSA发布的火星照,心情实在有些激动!


CNSA的第一张火星照


“天问一号”相对火星速度为2.45千米/秒,预计将于2月10日减速进入火星轨道,即将成为中国第一颗围绕火星轨道的探测器,并且将于3个月的5月份正式登陆火星。纵观中国火星探测史,可说是完全的逆袭,当年寄人篱下最后还被甩下太平洋,后又被印度抢占先机历历在目!


萤火一号,中国第一次探火以坠入太平洋告终


尽管“天问一号”看起来像是第一个火星探测器,但我们必须要缅怀一下中国真正第一个火星探测器“萤火一号”,它未能到达火星,甚至还没有飞出地球近地轨道就折戟太平洋,只是非我们之错!


2007年3月,中俄达成了联合探测火星和火卫一的相关协议,中国研制探测器搭载在俄罗斯“福布斯-土壤”号火星探测器上,原计划将于2012年5~6月份进入火星轨道释放萤火一号探测器,然后“福布斯-土壤”号探测器在火卫一赤道地区着陆,然后采集200克样品后返回地球在哈萨克斯坦境内着陆。


当年选择和俄罗斯合作也是无奈之举,首先我们没有合适的大推力火箭,不过后来被印度人给克服了,他们的操作仍然让大家目瞪口呆。其次是也没有足够大口径的深空测控天线以及全球性深空测控网。


大推力火箭的重要性


要从地球向火星发射探测器,必须具有地球轨道上逃逸的能力,但仍然没有达到太阳系逃逸速度,因此这个速度至少会在11.2千米以上,另一个必须要注意的是火星和地球在不同轨道上运行,由于存在速度差,每隔两年才会靠近一次!


因此必须选择在火星即将于地球靠近时发射,那样才会在火星经过近地点后和探测器相会。所以火星探测是有窗口的,2年一次,窗口期大约一个月左右,所以火星探测就会扎堆发射。


全球测控网的重要性


火星距离地球最近5500万千米左右,最远大约在4亿千米,如此遥远距离,测控天线功率必须足够大才能收到探测器返回的信号,并且向其发射测控信号。


另一个全球测控的原因是地球在自转,如果要随时和探测器保持联系,那么在地球上必须有120度分布的测控天线,否则就要等地球自转到对着火星时才能再次测控,时效性就差了!我国当时还未能达到深空全球测控的程度。


NASA的深空测控网


被俄罗探测器带到了沟里


出于这些原因,所以才选择和俄罗斯合作,但未曾料到的是2011年11月8日天顶-2SB运载火箭将“萤火一号”和“福布斯-土壤”综合体送入轨道后,在变轨转向地火转移轨道时点火失败,据俄罗斯航天局调查认为是芯片遭受辐射重启,导致点火失败!


但此时仍可以联系探测器并尝试第二次点火,很可惜仍然未能成功,而由于轨道近地点的衰减,未能在坠毁前变轨成功,最终探测器无法完成轨道转移,于2012年1月15日17时45分坠于太平洋海域。


印度“曼加里安”探测器的成功


这印度空间研究组织(ISRO)在2013年11月5日发射的火星环绕探测器,2014年9月24日成功进入火星轨道,总质量为1.35吨(燃料占了852千克,其它是结构与测控通信系统重量),运载火箭是 PSLV-XL C25极轨卫星运载火箭,它的近地轨道载荷为3.8吨,这个指标只有中国当时的长征系列火箭的1/2~1/3。


比如2003年10月15日在酒泉卫星发射中心发射神舟五号的长征2号F,近地轨道运载能力为8.6吨,2013年同期发射嫦娥三号的长征三号乙改进Ⅲ型,近地轨道运载能力为11.2吨,基本上甩印度运载火箭几条大街。


但曼加里曼成功了,走的是非同寻常之路,首先曼加里安探测器载荷极低,只有15千克,另外一个就是它从2013年11月5日发射,到2013年11月30日正式进入前往火星的霍曼转移轨道,整整用了将近25天的时间,为什么会那么久?


地心相


推力不够,绕圈圈来凑,这是低成本探测火星的选项之一,简单说就是将探测器送到一个近地椭圆轨道上,然后探测器每次都在近地点点火加速,让探测器的轨道顶点逐渐拉高,最终够着火星,这种方式很节省燃料,但时间浪费很多!



日心相


所以执行这样的任务,发射窗口必须提早,如果等大家直达火星轨道的时间窗口内,那么必定将会错过火星交汇的时间,比如曼加里安探测器是2013年11月5日发射,到2014年9月24日才到达,这就是原因。


曼加里安发射大事记


英雄不问出处,曼加里安就是成功了,我们不否认ISRO的策略的明智,不过我们也注意到了NASA的声明“U.S., India to Collaborate on Mars Exploration, Earth-Observing Mission”,NASA将为ISRO(印度空间研究组织)提供深空测控支持,当然这得花钱,但问题是即使咱给钱,NASA也不会将测控设施给我们使用。


NASA和ISRO签署合作协议


天问一号,高端大气上档次绕落巡


相信很多朋友都很嫌弃曼加里安探测器,种花家说句公道话,15千克也能装不少装备,比如搭载的来曼阿尔法光度计(LAP,1.97千克)、火星甲烷探测器(MSM,2.94千克)、火星外大气层中性粒子质谱仪(MENCA,3.56千克)、彩色相机(MCC,1.27千克)、热红外谱仪(TIS,3.2千克),这些设备还是能干不少事情的。


天问一号就不会那么寒酸了,它的任务是绕落巡,首次进入火星轨道就执行降落于巡视任务,这在火星探测史上是绝无仅有的,因为登陆火星的难度极大!天问一号由三大部分组成,分别是火星环绕探测器、着陆器和巡视车。


2月10日刹车进入火星轨道后,组合体将会在火星轨道上运行三个月左右,主要是对火星展开探测并绘制精确的地图,然后重点对乌托邦平原内展开地形调查,为3个月后着陆器分离准备地形资料,当然也为火星车巡视准备探查路线。


着陆器脱离探测器后将会进入火星大气层(火星有一个稀薄的含二氧化碳大气层),会经历热障,需要在超音速条件下开减速伞,还有反推火箭打开悬停选择着陆地,最后着陆火星,这就是所谓的恐怖7分钟,由于地球和火星到时候将相隔1.9亿千米,所以通信不仅延迟,有可能还需要环绕探测器中转,所以将远比月球登陆难!


在去年7月份出发的探测器中还有阿联酋的希望号,它于2月9日凌晨开启减速,即将进入火星轨道,另外还有美国火星探测器MARS 2020(毅力号),预计将于9天后直接登陆火星,美国已经有极其详细的火星资料,而且也有探测器环绕火星,所以它的目的很明确,直接登陆!


中国行星探测器任务


对于中国人来说,啥都需要自己建,不过从“萤火一号”以后,CNSA也早已决定独立自主发展自己的深空探测事业,并且天问系列探测器,目标是太阳系行星探测!2020年4月24日,中国国家航天局宣布,将中国行星探测任务命名为“天问”,将中国第二次火星探测任务命名为“天问一号”。


现有的探测计划中的天问一号(包含绕、落、巡三合一任务),已经于2020年7月23日12时41分发射,预计于2021年2月10日减速进入火星轨道,天问二号(执行采样返回任务),将于2028年~2030年发射。


另外还有木星探测任务,预计将在2030年以后进行,总的来说天问系列将会拉开波澜壮阔的太阳系探测计划,在中华民族即将开启深空之路!