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2020年探测火星,中国准备好了吗

人类对宇宙的探索热情,让人们已经向深空探测迈进。我国航天事业近年来快速发展,取得了众多成就。但我国在深空探测领域还略显不足,这也使得火星、小行星等成为我国下一步的探测目标。我国已经迈出实质性的一步,首个深空探测973计划研究——“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”已经被提上日程。

深空探测:不断创造“中国距离”

原标题:2020年探测火星,我们准备好了吗

973计划研究由国内10家科研单位共同承担,青岛科技大学参与的主要是未来的星际探测器确、安全着陆问题。

中华民族是最早仰望星空的民族之一,“嫦娥奔月”的美丽传说代表了人类对浩瀚宇宙的无限遐想。进入新千年,《中国的航天》白皮书正式提出“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究”和“开展有特色的深空探测和研究”,自此,中华民族的“奔月”梦想逐步变为现实。党的十八大以来,中国进入由航天大国向航天强国发展的关键时期,“嫦娥一号”“嫦娥二号”“嫦娥三号”任务相继发射成功,火星“绕落巡”任务正式启动,标志着我国深空探测技术进入世界前列。

美国国家航空航天局3月21日发布报告称,在火星测温受阻的”洞察”号火星探测器,作业已暂停近三周,故障原因仍未查明。

火星及小行星探测器面临众多挑战,包括能量问题。时间和能量是探测器必须解决的问题。飞行器达到火星后由于距离太阳远,太阳能电池的效率会很低。探测器还要与地面保持联系,工作时间越长,对能量的需求也就越高。此外,探测器如何精准安全着陆也是一大难题。由于信息发回和指令发出都会有时间差,探测器就必须有自主导航、控制和障碍规避的能力,才能安全着陆。由于无法实地测试,因此挑战更大。

月球是人类迈向深空的第一站。月球探测分为“探、登、驻”三阶段,中国的探月工程正在按“绕、落、回”三步实施。2007年10月,我国首颗月球探测卫星“嫦娥一号”发射成功,从此拉开了中国深空探测活动的帷幕,也标志着我国成为具有深空探测能力的国家。“嫦娥二号”作为“嫦娥一号”的姊妹星和月球探测二期工程的先导星,于2010年10月成功发射。此任务实施过程中,解决了“复杂约束、敏感摄动、低能量转移”这一世界性轨道设计难题,使我国成为世界上第三个实现日地L2点探测、第四个实现小天体探测的国家,在我国深空探测史上写下了浓墨重彩的一笔。承载着国人的登月梦想,“嫦娥三号”于2013年12月成功发射。作为我国航天领域迄今最复杂、难度最大的深空探测任务,“嫦娥三号”完美实现了从动力下降到两器分离的一系列高难度动作,生动诠释了我国深空探测自主创新、锐意进取的精神。

显然,探测火星不是件容易的事。可是人类探测火星的热情却从未熄灭。2019年全国两会期间,全国政协委员、中国探月工程总设计师吴伟仁透露,2020年我国将发射探测器,实现对火星的环绕、着陆和巡视探测。中国火星探测任务工程总设计师张荣桥曾表示,首次火星探测任务一步实现“绕、落、巡”探测,这在国际上前所未有,难度极大。

火星上变化多端的气候,对探测器也是一大考验。探测器着陆前,需要利用光学相机将火星表面拍摄下来,对环境特征提取识别,让探测器能够对自己的位置、速度和姿态等进行估计。因此探测器必须同时也是一个自主识别 、自主导航、自主控制的智能机器人,才能精确着陆。探测器需自动规划着陆轨迹,避开陨石坑 、岩石等障碍物。青岛科技大学主要就这些问题提出解决和技术方案。

作为“嫦娥”家族的六姐妹,“一、二、三”号任务的顺利实施,为“四、五、六”号任务的再创新奠定了坚实基础。承载返回任务的“嫦娥五号”,作为我国月球探测工程第三阶段的首发星,实施“绕、落、回”计划的第三步,将在月面采集2千克的月球样品带回地球。

火星有什么魔力吸引人类前赴后继?面对艰巨的挑战,我们准备好了吗?

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计划于2018年发射的“嫦娥四号”中继星和探测器,将实施世界首次月球背面探测任务;2020年左右发射的“嫦娥六号”探测器,将实施月球背面采样返回任务。月球背面地形更复杂,陨石坑更多。要找到既有研究价值又适合着陆的地点,进行区域性详查和精查十分重要。月球背面对研究月球的起源和演变、调查月球地质和资源情况有重要作用,同时不受来自地球无线电波干扰,是建造科研基地的理想圣地。

为人类寻找第二家园探路

标签: 机器人 探测器

“嫦娥工程”作为中国航天事业的里程碑之一,既是中国航天技术发展的必然结果,也为人类探索宇宙奥秘增添了新的活力。

从儿时熟悉的“马丁叔叔”,到近年热映的《火星救援》,火星寄托着人类无数太空梦想,被视为人类“太空家园”的重要候选。美国SpaceX公司近年就提出了“火星移民”计划,并设计了一次可以运送100人的火星火箭“BFR”。

火星这颗令人玩味的红色星球,一直牵动着人类探测的目光和发现的夙愿。或许在多年后,火星会成为人类的“第二家园”。

当然,要改造、建设并移居火星还为时尚早,但现阶段对火星进行探测,也具有重要的科学意义。

2016年,我国正式实施火星探测计划。火星探测将分为“绕落巡”和“采样回”两个阶段。计划于2020年择机发射的首颗火星探测器,将实现“绕落巡”一期工程目标。从人类火星探测的历史看,环绕探测是着陆和巡视的先期工程,集环绕探测和着陆巡视任务一次性实施的难度极大,我国首次任务以“绕、落、巡”为目标,将成为世界火星探测史上的先例。

中国科学院国家天文台研究员郑永春认为,研究火星可以给人类带来很多的启示。他表示,火星和地球是太阳系里的“兄弟姐妹”,研究两者的异同,互为参考,是极具价值的基础研究。

火星虽是距离地球最近的外行星,相比月球,探测火星仍有许多新的技术难点,包括大时延测量与控制技术、全自主管理与导航技术、高速大气进入技术等。为实施中国的火星探测计划,国家“863”计划在“十一五”期间设立了重大项目,开展火星探测器总体技术、自主导航技术、机构结构技术、大气进入技术等专项研究;“973”计划于“十二五”期间支持了两个深空探测领域的综合交叉项目,重点开展“火星精确着陆自主导航与制导控制、探测器巡航飞行高精度自主导航”等关键技术研究。

火星上是否存在或曾经存在过生命,这也是让科学家牵肠挂肚的谜题。研究表明,远古时代火星上曾有湿暖气候和流动水;2018年,科学家在火星南极冰盖下发现了液态水存在的证据。这增强了人们寻找火星生命的信心,也让人们看到了在火星上生活的希望。

在“863”和“973”的支持下,我国突破了火星表面复杂形貌时空表征与识别、多尺度信息优化自主导航、高速大气进入精确制导与控制、天文测角测速鲁棒状态估计等前沿技术,研制了火星精确着陆导航与制导控制综合仿真系统,为火星探测工程立项提供了技术支撑。

此外,对火星本底磁场长期演变的探测,对研究地球磁场的长期演化具有重要借鉴意义;对火星地形、地貌特征与分区,表面物质组成与分布等开展研究,则有助于了解火星的起源与演化。

从2007年发射首颗探月卫星,中国探月工程走过了十年的辉煌历程,“嫦娥”三姐妹先后获得国家科技进步特等奖两项、一等奖一项。同时,“十二五”期间,深空光学成像自主导航技术获得国家技术发明二等奖、深空探测任务轨道设计技术获得国家科技进步二等奖。

我国首个火星探测器搭载了13台科学载荷,将探测火星的形貌、土壤、环境、大气,研究火星上的水冰分布、物理场和内部结构。

2016年4月,习近平总书记为首个“中国航天日”作出重要指示:“探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。”伴随着“深空探测”列入国家“科技创新2030——重大科技项目”和火星探测“绕落巡”工程任务的实施,中国深空探测事业迎来了新的历史机遇。

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩表示,如果这次任务成功,我国将进一步实施火星表面采样返回任务,最终实现对火星从全球普查到局部详查、着陆就位分析,再到样品实验室分析的科学递进。庞之浩介绍,我国火星探测计划总体科学目标包括研究确定火星着陆和生命存在的条件与地区,火星土壤特性及其水冰、气体与物质组成,火星大气及气候特征,火星地质特征、演化与比较行星学等。

面对祖国的召唤、人民的期盼,中国航天人将在十年探月工程实践的基础上,创造一个又一个深空探测的“中国距离”,为向更远深空迈进、为建设航天强国、为实现中华民族伟大复兴的中国梦、航天梦作出新的重大贡献。

探月工程为探火任务奠定基础

(作者系北京理工大学教授、“深空973”项目首席科学家)

要实现上述目标,首先得到达火星,这一过程困难重重。

首先要突破的是遥远的距离。火星距地球最近时也有大约5000万公里,而探测器抵达火星需要飞行几亿公里,对发射、轨道、控制、通信和电源等技术都有很高要求。记者了解到,我国将用目前国内推力最大的长征五号运载火箭发射火星探测器,将其直接送入地火转移轨道。

由于距离遥远,测控通信也非易事。不过北京航天飞行控制中心副主任李剑曾表示,我国已具备上亿公里深空测控的能力,完全能支持火星探测。

与飞行相比,探测器在火星下降着陆的难度更大,过去许多探测器都在这一阶段功亏一篑。庞之浩说,进入火星大气时,探测器能接收到的遥测信号十分微弱;当它运行到火星背面,在地球上无法准确获取其轨道参数;通信延时也会造成很大影响。因此火星着陆过程完全需要探测器自主完成,整个过程被称为“恐怖7分钟”。

中国航天科技集团公司八院院长代守仑介绍,火星大气密度仅为地球的百分之一,着陆器进入大气后,以每小时两万公里的速度“撞”向火星,需要通过气动外形、降落伞、反推发动机等多种措施逐级减速,才能安全着陆。

全国政协委员、中国航天科技集团十一院研究员周伟江此前透露,我国火星探测器已完成气动外形设计,以及气动力、气动热设计工作,正在进行试验验证。此外,我国于2016年首次完成了缩比火星降落伞高空开伞试验,验证了降落伞的充气性能,获取了降落伞气动力数据。

即使能成功降落,火星巡视器还要接受复杂、恶劣环境的考验。2018年,美国机遇号火星车遭遇沙尘暴而停止工作,于今年2月被宣布“阵亡”。

应该说,在探测火星方面,我国还是“新生代”。不过,十多年来我国开展了五次探月活动,全部取得成功,对深空探测领域的轨道设计、探测器自主导航控制、深空测控通信等关键技术进行了验证,同时积累了丰富的经验。

这次任务能否成功,我们还需拭目以待。如果成功,它将成为我国继探月之后深空探测任务的“敲门砖”。据国家航天局系统工程司副司长赵坚介绍,后续至2030年前后,我国还将实施小行星探测、火星取样、木星系探测及行星穿越等深空探测任务。

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