CHINA|天问一号成功入轨 “问天”究竟有多难?
昨晚 , 在近 7 个月的跋涉之后 , 我国首个火星探测任务天问一号火星探测器终于如期进入火星轨道!据中国航天局官方消息:2021 年 2 月 10 日 19 时 52 分 , 天问一号探测器实施近火捕获制动 , 环绕器 3000N 轨控发动机点火工作约 15 分钟 , 探测器进入近火点高度约 400 千米 , 周期约 10 个地球日 , 倾角约 10o 的大椭圆环火轨道 。
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天问一号成功入轨
国家航天局局长、此次火星探测任务工程总指挥张克俭宣布环绕火星成功 。至此 , 天问一号成为我国第一颗人造火星卫星 , 其“绕、着、巡”的三步计划也顺利开启 。
截至昨晚成功实施火星捕获 , 天问一号已累计飞行 202 天 , 飞行里程约 4.75 亿千米 , 距离地球约 1.92 亿千米 , 各系统状态良好 。
从地火转移阶段进入到火星捕获阶段后 , 天问一号携带的中分辨率相机、高分辨率相机、磁强计、矿物光谱分析仪、离子与中性粒子和能量粒子探测仪等载荷也将开始工作 , 对火星的多维度探测也要开始了 。
国家航天局表示:
后续天问一号还将经过多次轨道调整 , 进入火星停泊轨道 , 开展预选着陆区探测 , 计划于 2021 年 5-6 月择机实施火星着陆 , 开展巡视探测 。对此 , NASA 科学任务副局长 Thomas Zurbuchen 在推特上表示:
今日天问一号成功进入火星轨道 , 祝贺中国 。火星仍有很多未解之谜等待着我们去探索 , 期待中国的成就!

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除了 NASA , 欧洲航天局也通过推特表示祝贺 。
作为我国首个火星探测任务 , 天问一号自 2020 年 7 月 23 日成功发射以来备受关注 , 其成功入轨的消息迅速登上各大社交媒体热榜 。

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网友纷纷表示:
科技强国!新春大礼包来了!天问一号任务有多难?
向天问一号送去我的新年祝福 , 新年快乐!
中国视角 , 中国荣誉 。
自上世纪 60 年代以来 , 探测火星就贯穿了人类航天史 , 但直到今天 , 全球范围内火星探测任务成功率也还不足五成 。
1960 年 10 月 , 前苏联连发史上首枚、第二枚探测器“火星 1A 号”和“火星 1B 号” , 却连地球轨道都未到达 。
此后 , 前苏联和美国的探测器或发射失败、或失去通信联系、或被烧毁 , 多次尝试均以失败告终 。
1964 年 , 失败魔咒首次被打破 。12 月 28 日发射的美国“水手 4 号” , 于 7 个月后终于在距火星表面 9800 千米的上空掠过火星 , 向地球发回 21 张照片 , 这也是史上首个成功到达火星并发回数据的探测器 。
70 年代 , 火星探测器(美国“水手 9 号”)才首次进入环绕火星轨道 。
此后 , 日本、欧洲航天局、印度、阿联酋、中国纷纷加入火星探测的队伍 , 人类向火星发射航天器已有约 50 次——然而共有 11 次任务连地球引力范围都没突破 , 还有 5 次探测器中途失联的情况 。
据了解 , 火星探测任务主要有四个类型:一是简单的飞掠 , 主要用于航天技术尚不成熟的阶段;二是环绕 , 探测器通过制动减速进入火星轨道;三是着陆 , 在火星表面详细研究;四是巡视 , 火星车将携带多项科学仪器进行自由巡视 。

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【图源知乎答主@太空精酿】
而天问一号要做的是一次性完成环绕-着陆-巡视的任务 , 考虑到此前各国在火星探测方面的情况 , 其难度可见一斑 。
此次任务之难 , 主要在于以下几个层面:
其一 , 即便在窗口期 , 火星也依旧是一颗遥远的星球 , 探测器携带有限燃料出远门 , 为探测器飞行轨道的精密设计提了很高的要求 。
其二 , 若探测器经过 6-7 个月漫漫旅途后顺利进入火星轨道 , 能否被火星捕获也是一大难点 , 切入点的远近直接关系到探测器是被捕获、掠过火星还是坠毁 。
其三 , 整个任务最大的挑战便是如何成功着陆火星 。探测器将 4.8km/s 的速度降到 0 , 需要 7 分钟左右 , 而这个过程也常被称为“恐怖 7 分钟” 。何时减速、进入大气的姿态与角度如何 , 都需要精准控制 , 但鉴于人类对火星的认知不足 , 加之地火之间单程无线电信号的延时问题 , 依靠地面指挥实属不易 。
幸运的是 , 天问一号已克服了两大难题 。
这里需要解释的是 , 昨夜天问一号之所以能被火星捕获 , 关键在于一个动作——刹车 。
根据机械能守恒定理 , 要造访火星 , 天问一号这个“外来者”的机械能大于 0 , 但只有设法减少机械能 , 天问一号才能进入轨道 , 否则可能出现飞掠火星的情况 。
据中科院地质地球所 , 这种情况下只能进行航空器刹车的操作:
当今航天器的刹车方法主要有两种 , 一是利用行星大气层阻力和空气动力的“大气刹车” , 二是利用火箭发动机的反向推进刹车 。据了解 , 除了昨夜的第一次点火 , 天问一号还将会通过 2 次点火保证自己处于火星轨道上 。
此次天问一号采取了后者——一方面 , 天问一号分为轨道器与着陆器(巡视器)两大部分 , 轨道器要长期留在火星的稳定轨道上 , 不能一股脑地刹车;另一方面 , 我国对于火星大气环境 , 包括密度分布、温度分布、风场等等都知之甚少 , 美国在公开论文中给出的数据不够精细 , 也不能轻信 。
下图是最初计划的天问一号轨道机动示意 。

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接下来 , 天问一号将在绕着火星跑的同时 , 通过自带的各种科学仪器对火星的地形地貌、大气特征、风速、气候等特征进行分析 , 大约 100 天后 , 它将降低轨道 , 抛出着陆器 。
也就是说 , 到时候我们就该听到天问一号正式着陆火星的好消息了!
中国跻身“火星国家”行列
对于中国来说 , 2021 年 2 月 11 日不只是一个普通的腊月二十九 , 它是中国跻身“火星国家”行列的一天 。
早在 2016 年 1 月 11 日 , 中国火星探测任务正式立项 , 给 2020 年左右发射火星探测器的想法埋下了种子 。
此后 , 我国火星探测任务按计划顺利推进:
- 2019 年 10 月 , 中国火星探测器亮相 。
- 2019 年 11 月 , 中国火星探测任务首次公开 。
- 2020 年 4 月 24 日 , 第五个“中国航天日” , 国家航天局正式宣布我国行星探测任务命名为“天问”、我国首次火星探测任务命名为“天问一号” 。
- 2020 年 7 月 23 日 12 时 41 分 , 海南文昌航天发射场 , 搭载着“天问一号”的长征五号遥四运载火箭成功发射 , 我国首个火星探测任务开启 。
- 2020 年 7 月 27 日 , 地面人员控制天问一号在飞离地球约 120 万公里处回望地球 , 获取了地月合影 。
- 2020 年 8 月 2 日 7 时 , 在飞控团队控制下 , 天问一号完成第一次轨道中途修正 。
- 2020 年 8 月 28 日 , 天问一号已在轨飞行 36 天 , 飞行历程突破 1 亿公里 。
- 2020 年 9 月 20 日 23 时 , 在飞控团队控制下 , 天问一号完成第二次轨道中途修正 。
- 2020 年 10 月 1 日国庆节当天 , 国家航天局发布天问一号首次深空和国旗“自拍” 。
- 2020 年 10 月 9 日 23 时 , 在飞控团队控制下 , 天问一号完成一次深空机动 。
- 2020 年 10 月 28 日 22 时 , 在飞控团队控制下 , 天问一号完成第三次轨道中途修正 。
- 2020 年 11 月 17 日 , 天问一号已在轨飞行 116 天 , 飞行里程突破 3 亿公里 。
- 2021 年 1 月 3 日 , 天问一号已在轨飞行 163 天 , 飞行里程突破 4 亿公里 。
- 2021 年 2 月 5 日 20 时 , 天问一号完成第四次轨道中途修正 , 并传回了在距火星约 220 万公里处拍下的首幅火星图像 。
昨日晚间 , 央视正式官宣 2021 牛年春节联欢晚会节目单 , 在节目单上有个名为《向祖国报告》的特别节目 , 天问一号、嫦娥五号、神舟飞船、北斗三号总设计师等嘉宾将出现在镜头前 。农历牛年前夕 , 天问一号的故事必将为节日增添一份别样的仪式感 。

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【CHINA|天问一号成功入轨 “问天”究竟有多难?】最后 , 愿你新春快乐 。
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