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    揭秘天問一號

    我國星際探測征程邁出重要一步

    5月15日7時18分,天問一號探測器成功在火星烏托邦平原南部軟著陸,中國成為世界上第二個成功將探測器送上火星的國家。 中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平在賀電中指出,天問一號探測器著陸火星,邁出了我國星際探測征程的重要一步,實現了從地月系到行星際的跨越,在火星上首次留下中國人的印跡,這是我國航天事業發展的又一具有里程碑意義的進展。

     

    《中國經濟周刊》第11期封面

    《中國經濟周刊》第11期封面

    《中國經濟周刊》 記者  賈璇  |北京、上海報道

    天何所沓?十二焉分?日月安屬?列星安陳?

    2300多年前,愛國詩人屈原仰望星空,賦詩《天問》向世界萬物提出177個問題,表達了中華民族追求真理的堅韌與執著。

    2300多年后,中國航天人用實踐探尋自然和宇宙空間的奧秘,將行星探測任務命名為“天問”系列,寓意追求科學創新永無止境。

    十年磨一劍。2020年7月23日12時41分,我國首顆火星探測器天問一號成功發射。在經過長達7個月、累計202天、4.75億公里的漫長飛行之后,天問一號于2021年2月10日19時52分,精準實施近火制動捕獲,中國航天探測器首次到達火星。

    5月15日7時18分,天問一號探測器成功在火星烏托邦平原南部軟著陸,中國成為世界上第二個成功將探測器送上火星的國家。

    中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平在賀電中指出,天問一號探測器著陸火星,邁出了我國星際探測征程的重要一步,實現了從地月系到行星際的跨越,在火星上首次留下中國人的印跡,這是我國航天事業發展的又一具有里程碑意義的進展。

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    早在嫦娥一號任務取得圓滿成功之后,業內專家即開始謀劃我國深空探測后續發展。打頭陣的天問一號探測器奔向何方?

    2010年8月,8位院士聯名向國家建議,開展月球以遠深空探測的綜合論證,國家有關部門立即組織專家組進行了發展規劃和實施方案論證,多位院士、專家團隊積極參與論證工作,對實施方案進行了三輪迭代和深化。2016年1月,我國首次火星探測任務經黨中央、國務院批準立項。

    我國首次火星探測任務起步雖晚,但起點高、跨越大,從立項伊始就瞄準當前世界先進水平確定任務目標,明確提出在國際上首次通過一次發射,完成“環繞、著陸、巡視探測”三大任務。

    中國深空探測晚起步,但起點高,底氣何來?

    截至6月6日,祝融號火星車在火星表面已工作23個火星日,開展環境感知、火面移動、科學探測,所有科學載荷設備均已開機工作,獲取科學數據。環繞器運行在周期8.2小時的中繼軌道,為火星車科學探測提供中繼通信。

    6月7日,國家航天局發布我國首次火星探測天問一號任務著陸區域高分影像圖。圖像中天問一號著陸平臺、祝融號火星車及周邊區域情況清晰可見。

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    19-4 “中國印跡”圖,是火星車行駛到著陸平臺東偏南60°方向約6米處,拍攝的著陸平臺影像圖。 圖

     “中國印跡”圖,是火星車行駛到著陸平臺東偏南60°方向約6米處,拍攝的著陸平臺影像圖。圖片來源:國家航天局

    19-3 由“祝融號”火星車拍攝的“著巡合影”影像圖。圖片來源:國家航天局

    由“祝融號”火星車拍攝的“著巡合影”影像圖。圖片來源:國家航天局

    19-2 天問一號火星探測器的環繞器和著陸巡視器分離高清示意圖

    天問一號火星探測器的環繞器和著陸巡視器分離高清示意圖

    19-1 天問一號探測器對火星表面進行科學探索高清示意圖

    天問一號探測器對火星表面進行科學探索高清示意圖

    首次火星探測任務于2016年1月經黨中央、國務院批準立項,由國家航天局組織實施。具體由工程總體和探測器、運載火箭、發射場、測控、地面應用等五大系統組成。

    此次任務,工程總體單位為國家航天局探月與航天工程中心,中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院抓總研制運載火箭系統,中國空間技術研究院和上海航天技術研究院抓總研制探測器系統。中國衛星發射測控系統部負責組織實施發射、測控。中國科學院國家天文臺抓總研制地面應用系統,負責科學數據接收、處理、存儲管理等工作。

    近日,《中國經濟周刊》記者獨家對話天問一號火星環繞器副總指揮、上海航天技術研究院褚英志及其團隊骨干,探訪我國首次探火任務背后的故事。

    和藍色地球最相似的橙色火星

    “我們探測火星可以探尋太陽系行星起源和演化等問題,可以更好地了解地球,同時也在宇宙中尋找第二家園。”褚英志對《中國經濟周刊》說。   

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    天問一號火星環繞器副總指揮、上海航天技術研究院褚英志 《中國經濟周刊》記者 王雨菲|攝

       在太陽系八大行星中,藍色地球與太陽的距離第三近,橙色火星離太陽第四近。地球和火星這對“鄰居”之間,距離最遠時約4億千米,最近時約5600萬千米。

    火星半徑約為地球的一半,重力為地球的38%。盡管面積較小,但火星的陸地面積約等于地球各大洲的表面積。這意味著,至少從理論上講,火星具有相同數量的可居住土地。

    多年來,火星都是人類深空探測的熱點。從20世紀60年代開始,人類共實施了45次火星探測任務。除月球之外,火星是最受關注的天體。

    在太陽系中,火星和地球最為相似。兩者自轉周期相似,一個火星日約為24小時39分鐘。兩者一樣有四季更迭。

    火星上存在大氣、水、各種礦藏和氧化物。

    現在掌握的火星情況可以為我們提供一個參考依據,這對認識地球的過去、現在和未來,有著不可替代的作用。

    “經過探測我們發現,早前在火星表面發現水的區域,現在是荒漠,這樣的變化可以給地球的演變提供參考,甚至讓我們提前知道地球的未來。” 褚英志說。

    三國同臺競技場—— “探測器墳場”

    盡管人類對火星向往已久,但火星探測并非易事?;鹦潜环Q為“探測器墳場”,在人類向火星發起的45次挑戰中,成功率僅為40%。

    褚英志向《中國經濟周刊》介紹,探火任務的超高難度,首先來自遠距離。“相對于月球,火星和地球之間的距離更遠。目前,天問一號在距離地球大約3.5億公里的地方,是地球到月球距離的100多倍。”

    其次,難度來自溫度的變化。褚英志解釋說,火星在最低軌道上的光照強度為500多瓦每平方米,僅為地球軌道的一半還不到。“探測器從地球出發,相當于離太陽又遠了,接收到的陽光也會逐漸變少。探測器在遠赴火星的過程中,像從穿T恤的環境去了需要穿羽絨服的地方。”

    同時,光強變弱也意味著發電能力減少。“飛行器接收到的光強會從約1350瓦降到500瓦,減少了一半還多,這種條件下,飛行器還要能夠有效發電,發足夠的電。”

    此外,飛行器還要面對單粒子翻轉等無法提前預知的各種問題。單粒子翻轉指宇宙中單個高能粒子射入半導體器件靈敏區,使器件邏輯狀態翻轉的現象。

    值得注意的是,探測器到達火星后,在其表面著陸的難度非常大?;鹦谴髿庀”∏沂芗竟?、夜晝、火星風暴等影響,非常不穩定;火星表面地形復雜,遍布巖石、斜坡、溝壑等障礙物;火星塵暴也較地球更為嚴重。這些因素都會給著陸火星帶來很大風險。

    曾有人比喻稱,要讓探測器在火星精準著陸,相當于從法國巴黎擊出高爾夫球,落在日本東京的一個洞里。

    2020年7月,火星探測時隔26個月后再次迎來發射窗口期。來自3個國家的3臺火星探測器相繼升空,奔向火星。它們分別是中國的天問一號、美國的毅力號和阿聯酋的希望號,這也被稱為三國火星探測器同臺競技。

    此次,希望號的目標是環繞火星研究火星大氣,而天問一號和毅力號的目標都是登陸火星。2021年2月,希望號與天問一號進入環火軌道,毅力號成功降落火星表面。

    在談及三國航天器同場競技時,褚英志自信地說:“我們能在3個國家同時進行火星探測時,這么圓滿地完成任務,得益于國家整體科研技術水平的提升。”

    從“搭車”去火星到自主深空探測

    據介紹,在此次獨立開展探火任務之前,我國曾以國際交流合作的形式,嘗試“搭車”去火星,而褚英志正是我國兩次探火任務的親歷者。

    2011年11月8日,中國研制的螢火一號探測器和俄羅斯的“福布斯-土壤”探測器一起搭乘俄羅斯運載火箭向火星進軍。

    任務中,“福布斯-土壤”探測器未能按計劃進行變軌,隨后俄航局宣布放棄獲取探測器信號的嘗試,任務以失敗告終。

    此后,我國決心自主開展火星探測任務。褚英志說:“我們從設計之初,就本著獨立自主、自力更生的原則。天問一號上的單機絕大部分都是國產。這充分體現了我們國家航天領域在元器件、原材料、裝備加工等方面都具備了一定能力,達到了一定的水平。”

    天問一號是我國第一個火星探測器,將對火星進行首次環繞、著陸和巡視,主要任務即為“繞、著、巡”。一般來說,三步驟任務會被分開進行,以降低難度。在深空探測領域提前起步幾十年的美國,不止嘗試過在一次任務中進行火星著陸和巡視探測。我國首次獨立探火就三步一氣呵成,難度被稱為是“殿堂級別”。

    為滿足任務要求,天問一號由環繞器和著陸巡視器組成,功能上更是身兼數職。

    環繞器在太空“分飾多角”,具備三大功能,分別為:飛行器、通信器和探測器。著陸巡視器由進入艙和祝融號火星車組成。進入艙負責火星進入、下降和著陸任務;火星車配置了多種科學載荷,在著陸區開展科學巡視探測。

    在探火過程中,天問一號主要包括6個飛行階段:發射段、地火轉移段、火星捕獲段、火星停泊段、離軌著陸段和科學探測段。

    其中,“繞”主要由環繞器承擔,它與著陸巡視器分離后繼續環繞火星飛行,將探測火星土壤、表面和地下水冰,火星的地形地貌,調查和分析火星表面物質成分等。此外,環繞器還要為火星車提供通信支持。

    “著”和“巡”由著陸器和火星車承擔。著陸后,火星車將對著陸區的地形地貌、巖石成分以及環境氣候進行探測,依次開展對著陸點全局成像、自檢、駛離著陸平臺,并進行巡視探測。

    據褚英志向《中國經濟周刊》介紹,天問一號環繞器上產品由1700余種、56000多只元器件組成,絕大多數都是自主研發的“國貨”,有的元器件還是第一次在深空探測的飛行器上應用。

    天問一號為何比毅力號早出發7天,卻晚85天落火?

    在此次火星探測窗口期內,共有來自3個國家的3臺火星探測器相繼升空,奔向火星。它們分別是中國的天問一號、美國的毅力號和阿聯酋的希望號。

    從發射時間上看,美國NASA的毅力號比我國的天問一號晚出發7天,但其在2021年2月19日,即到達火星的當天直接成功登陸火星。5月15日,天問一號成功著陸。明明早出發7天,卻晚到達85天,這是為什么?

    “這是從整個任務的角度考慮的。這是我國第一次探索火星,形象地來說,我們在到達后要先看看路。” 褚英志介紹,我國預選在火星表面的著陸區,是根據天文界研究成果以及國外對火星成像的照片來選擇的,選擇的時候其實我們還沒有第一手資料。

    為了給著陸巡視器落火“看清楚路”,環繞器對預選著陸區開展了多維度探測,一方面探測地形地貌,選擇地形平坦無障礙的地方;另一方面靜候“天機”觀天象,獲取著陸區附近區域的氣象狀況。

    褚英志進一步解釋:“環繞器要對我們的著陸區進行從北到南、覆蓋性的觀測,這種觀測要進行很多次,方便進行對比,要看這個區域是否存在沙塵暴,沙塵暴的運動速度和方向,等等。”

    由于火星車采用太陽能帆板的形式供電,大量沙塵會覆蓋在太陽能電池片的表面,降低發電效率甚至導致發電能力喪失?;鹦潜砻婷磕甓紩纬蓭讏龃笊硥m暴,歷史上就有探測器因抵達火星時趕上沙塵暴,最終沒能順利展開工作。對火星車來說,失去能源供應無疑是致命的。

    同時,沙塵暴可能改變著陸巡視器下降過程的動力學參數,影響著陸過程的安全性。沙塵粒子可能會附著在探測器表面,甚至鉆入內部,造成儀器設備故障。因此,環繞器提前探測預選著陸區,是至關重要的。

    此外,環繞器還要對成像系統進行驗證,檢驗飛行器上相機的成像效果。

    據介紹,環繞器搭載了中分辨率和高分辨率兩種相機。高分辨率相機拍攝的照片像素高,受數據傳輸限制,大像素照片不能拍攝大范圍的區域。此時,就需要利用中分辨率相機作為補充。一旦發現值得探尋的區域,再利用高分辨率相機具體拍攝。

    “其實,落火時間的前后是因為任務設計不同。NASA在火星上空已經有了環繞器,對著陸環境提前了解了,所以毅力號直接落火,沒有環繞的動作。我們的天問一號環繞器‘看路’是飛行程序,是既定工作,不是臨時決定的。”

    據介紹,在火星車完成火星表面巡視后,環繞器將繼續工作,環繞火星并對其進行為期687天的拍攝,通過這687天的科學觀察完成火星繞太陽轉一圈的完全周期觀測。

    失聯30天的天問一號

    正如上述,天問一號已經成為火星的一顆人造衛星,但它要面對的復雜考驗還有很多。大約在今年9月23日至10月23日,天問一號即將因為日凌失聯30天。

    日凌是太陽、衛星和地面接收天線恰巧在一條直線上,太陽發出的強大的電磁輻射干擾衛星通信的一種正常的自然現象。每年春分和秋分前后,太陽位于地球赤道上空,由于通訊衛星多定點在赤道上空運行,在這期間,當太陽、衛星、地面天線三者處于一條直線時,太陽強大的電磁輻射會對衛星下行信號造成強烈的干擾。

    在我們生活中,電視畫面偶爾短暫出現的圖像不清、屏幕“雪花”,甚至黑屏,其實就是受到了日凌的影響。

    天問一號火星環繞器總體副主任設計師謝攀向《中國經濟周刊》記者介紹,常規的地球衛星,不存在這么久失聯的問題,因為它繞地球運動時,太陽、衛星和地面天線位于一條直線的時間比較短,但天問一號將和太陽、地球處在近似同一線上約30天。面對即將到來的長時間遙測遙控中斷,數億公里外的火星探測器需要開展自主管理。

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    天問一號火星環繞器總體副主任設計師謝攀 《中國經濟周刊》記者 王雨菲 | 攝

    “預設的這30天里,天問一號主要維持在正常軌道,維持本身正常的狀態就可以了。這段時間內也沒有給它規定探測任務。” 謝攀說。

    但天問一號并沒有完全休息,它還要負責給自己做體檢。“比如說,當檢測到有單機或部件出現問題時,天問一號要自主給故障部分隔離,同時啟用備份。”

    天問一號火星環繞器結構分系統主任設計師王建煒介紹,受火箭運載約束,天問一號探測器總重量約為5噸,著陸巡視器約重1.3噸。相較于低軌衛星,這個重量大了很多,也給結構設計帶來難題。

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    火星環繞器結構分系統主任設計師王建煒 《中國經濟周刊》記者 王雨菲 | 攝

    設計之初,環繞器的重量設計可謂是“克克計較”。每個單機的重量都要精確到克以下,同時更不能損失可靠性。天問一號此行一共攜帶了13個科學載荷,其中7個在火星上空的環繞器上,6個分布在火星車祝融號上。“航天器的可靠是關鍵,我們不能損失可靠性來減重。這方面做了很多工作,包括從材料、單機的冗余設計、功能設計、燃料等方面,都做了精心設計。”

    載人登陸火星還遠嗎?

    天問一號火星探測器成功著陸火星,再次激發人們去火星旅行的向往。從20世紀60年代開始,人們就開始對火星旅游計劃進行了初步的普查,直到今天,普查階段基本完成。人類開啟詳查階段,對火星的局部地區開始進行考察,這個計劃將在21世紀20年代的末期實現。那么,我們距離實現載人登陸火星還有多遠?

    褚英志認為,目前來說,人類去火星的難度還是很大。首先,受飛行速度限制,人類會在軌道空間上滯留很久,“從地球出發飛過去,到了火星立刻趕下一個‘班車’回來,可能就需要2~3年的時間。”

    此外,航天器在奔火過程中沒有磁場保護,來自太陽、銀河宇宙線的輻射可以直接打到物體表面,輻射很強,身體性能會損失得很快。

    曾經有研究認為,人類在30歲壯年狀態去火星,等他回來時,生理狀態或在85歲左右。“你可以把這種輻射想象成細細的沙子,始終打在你身上,而且能量很大,是可以穿過你身體的。”

    此外,火星的自然條件并不適宜人類生存,其大氣壓只有地球的0.7%,而且這0.7%的大氣壓中95%以上是二氧化碳,一年中的平均溫度是零下60℃,最低氣溫是零下120℃。

     

    對話天問一號

    火星探測團隊:春節沒回家的日子

    在天問一號任務中,中國空間技術研究院和上海航天技術研究院負責抓總研制探測器系統。近日,《中國經濟周刊》獨家采訪了從飛控中心返回單位的火星團隊,對話天問一號火星環繞器副總指揮、上海航天技術研究院褚英志及其團隊骨干。

    沒回家的除夕夜

    在天問一號探測任務中,除發射成功外,還有多個關鍵環節至關重要,其中技術風險最高、技術難度最大的環節之一就是“制動捕獲”。

    火星制動捕獲指探測器在抵近火星時,通過主發動機長時間點火,使得在行星際空間高速飛行的探測器大速度增量減速,從而能夠被火星引力場捕獲,進入繞火軌道。

    制動捕獲的機會是唯一的,關系著整個工程任務的成敗。捕獲過程中,火星環繞器需要準確地進行點火制動,只有點火時機和時長都分秒不差,才能形成理想的目標捕獲軌道。

    據公開資料顯示,此前多個國家的火星探測任務都曾在“火星捕獲段”遭遇失敗。

    在天問一號制動捕獲過程中,探測器的目標軌道距離火星最近處僅400千米,一不留神就會撞擊火星或飛離火星。探測器與地球距離達1.92億公里,超遠距離下數據通信的單向時間延遲超過10.7分鐘。為了更好保證制動過程,天問一號必須完全依靠自身完成發動機的點火和關機,實現點火方向和點火時長的精確控制。

    2021年2月10日,天問一號探測器進入近火點高度約400千米。環繞器3000N軌控發動機點火約15分鐘,把環繞器送入周期約10個地球日,傾角約10度的大橢圓環火軌道。天問一號成功被火星捕獲,成為我國第一顆人造火星衛星。

    次日,恰逢2021年的除夕夜。

    “我印象中,制動捕獲是在大年二十九,第二天大家還在一起包了餃子。”褚英志回憶稱,當天問一號被火星成功捕獲,在巡視器著陸成功的那一刻,大家爆發出來的那種喜悅和歡呼最讓他難忘。

    “其實,團隊里每個人都會有困難。探火這個任務,我們準備了10年。這10年里,有人選擇退出,也有人退休了。最后咬牙堅持下來的同事,都付出了很多。這些付出確保了我們這次任務的成功。” 褚英志說。

    24 5 月15 日7 時18 分,“天問一號”探測器成功落火,上海航天技術研究院火星團隊部分骨干在

    5月15日7時18分,“天問一號”探測器成功落火,上海航天技術研究院火星團隊部分骨干在北京飛行控制中心合影。

    25 上海航天技術研究院火星團隊成員在北京飛行控制中心執行任務

    上海航天技術研究院火星團隊成員在北京飛行控制中心執行任務

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    記者在采訪時,看到會議室角落的書柜前,擺著行軍床。

    24小時三班倒,一個班值12小時

    按照天問一號任務要求,在捕獲和著陸兩個階段,上海航天技術研究院火星團隊就進入集中飛控階段。這意味著團隊骨干力量要保證全天24小時跟蹤探測器。

    褚英志說:“我們采用三班倒班制,一個值班時長是12個小時,確保一組人可以休息。”據介紹,環繞器團隊主要崗位有7個,在執行關鍵事件和動作時,會設置“雙崗”,即14個人值班,個別崗位還要拆崗,人數最多時有16個人同時值班。

    工作人員在值班的12小時里,除了喝水、吃飯和上廁所,其他時間都要面對電腦屏幕上密密麻麻的數據。當被問到如何抵抗疲勞時,褚英志笑著回答:喝咖啡。

    為了讓團隊成員在緊張的任務之余放松心情,在飛控中心和發射基地里也時常會有小活動。“我們也會開個小型聯歡會,猜個謎語,做個游戲什么的,團隊里的年輕人都很活躍”。

    不過提到最能解壓的方式,幾位成員都表示是給家里打個電話。

    中國航天人的堅守與浪漫

    “你看這個衛星軌道像什么?”在采訪中,“天問一號”火星環繞器總體副主任設計師謝攀在同事的提醒下,給記者展示了一張衛星軌道示意圖。據介紹,這是今年2月份,天問一號為了更好拍攝南北極,飛行軌道稍作調整后的軌跡路線示意圖。

    當日,在完成工作任務后,謝攀發現從某個角度來看,天問一號的軌道酷似一個心形,火星及其軌道像一枚戒指,于是特意記錄下了這個瞬間。

    25 謝攀發現的軌跡路線示意圖

    謝攀發現的軌跡路線示意圖

    當被問到是如何發現這樣浪漫的一幕時,謝攀略顯羞澀地說:“好久沒回家了,想安撫下家屬。”

    除了用浪漫故事和美好寓意,寄托對家人的思念,航天人更用自己特殊的方式祝福任務。

    有媒體探訪海南文昌發射場時發現,在火箭發射前,一線的工作人員都要吃薄皮大餡的包子,最好還要吃兩個,寓意“包成功”和“好事成雙”,這個特殊“儀式”上的包子也被叫作“成功包”。

    采訪中,褚英志表示自己所在的團隊也有祝福的“習俗”,不過他們是擺個橙子。“我們在制動捕獲前,每個人都發個橙子,寓意‘一定成’。有時候,食堂會給準備‘栗子炒雞肉’,寓意著‘大吉大利’,圖個好彩頭。”

    不過當記者問到,栗子炒雞是否好吃時,褚英志卻說沒怎么吃過。

    據介紹,在天問一號發射之前,團隊需要提前12個小時開始準備,一般沒時間吃東西。“運載火箭在塔架上時,我們也會陪著它。發射前至少要做好幾次總檢查。天問一號是中午12點41分發射的,其實我們凌晨4點就在那里了,準備工作也是從凌晨1點就開始了。” 褚英志說。

    (本文圖片除署名外由上海航天技術研究院供圖)

    (本文刊發于《中國經濟周刊》2021年第11期)

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