目前，計(jì)劃在7—8月?lián)駲C(jī)發(fā)射的美國“毅力號”火星探測器和阿聯(lián)酋“希望號”火星探測器已進(jìn)入發(fā)射“倒計(jì)時(shí)”。而我國首次火星探測任務(wù)——“天問一號”的發(fā)射也備受關(guān)注。不久前，中科院院士、航天科技集團(tuán)科技委主任包為民接受央視記者采訪時(shí)透露，今年7—8月，“天問一號”將進(jìn)行發(fā)射。
這場多國登臺的“探火”大戲讓人拭目以待。
在窗口期發(fā)射，省時(shí)省力省錢
包括中國在內(nèi)，今年計(jì)劃“探火”的國家不約而同將火箭發(fā)射日期選在7—8月，這是為什么呢?
“今年7—8月是火星探測‘窗口期’。”中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員劉勇表示，火星和地球幾乎在同一軌道面圍繞太陽公轉(zhuǎn)，地球公轉(zhuǎn)周期為1年，火星公轉(zhuǎn)周期約為2年。如果在環(huán)形跑道上讓地球和火星進(jìn)行一場賽跑，發(fā)令槍響后“慢吞吞”的火星大約每兩年會(huì)遇上地球一次，此時(shí)兩行星距離最近。在這一時(shí)刻前后，從地球發(fā)射火星探測器，能讓人類“探火”之旅的“趕路”時(shí)間更短、所攜燃料更少、成本更加低廉。
然而，即便是這最短的飛行距離，探測器仍要經(jīng)歷一場“長途旅行”。
中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張偉告訴科技日報(bào)記者，火星距離地球最遠(yuǎn)約4億公里，最近也要約5600萬公里，以我國此次將要發(fā)射的火星探測器為例，需要飛行200余天才能到達(dá)遙遠(yuǎn)的火星。
探測器“趕路”期間，地球和火星始終相對運(yùn)動(dòng)著。因此，探測器飛行軌道設(shè)計(jì)里頭藏著大學(xué)問。
“火星探測器往往沿著地火之間的霍曼轉(zhuǎn)移軌道飛行。”劉勇說。
霍曼轉(zhuǎn)移軌道由德國物理學(xué)家瓦爾特·霍曼提出，是一種變換航天器軌道方法的統(tǒng)稱，途中只需兩次引擎推進(jìn)，相對節(jié)省燃料。
劉勇指出，火星探測器發(fā)射升空后，先在地球附近加速，進(jìn)入橢圓形的霍曼轉(zhuǎn)移軌道慣性飛行，不需耗費(fèi)自身所攜燃料;等到達(dá)火星附近“剎車”減速，最終被火星捕獲。這就要求探測器發(fā)射時(shí)，火星和地球的相對位置必須提前計(jì)算好，使得探測器的霍曼轉(zhuǎn)移軌道能夠與火星公轉(zhuǎn)軌道在某一時(shí)刻相切。兩軌道的切點(diǎn)就是探測器將被火星軌道捕獲的空間位置，這一特定時(shí)刻就是探測器真正投入火星“懷抱”的時(shí)刻。
結(jié)合地球、火星的公轉(zhuǎn)周期，以及軌道設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，科學(xué)家通過詳細(xì)周密的計(jì)算得出，在地球上每隔約26個(gè)月是發(fā)射火星探測器的最好時(shí)機(jī)，“窗口期”由此而來。
如果錯(cuò)過今年7—8月這次“窗口期”，下次火星探測的好時(shí)機(jī)只能等到2022年。例如，歐洲空間局(以下簡稱歐空局)與俄羅斯航天局合作研發(fā)的火星探測器原定于今年7月發(fā)射，但因疫情及其他技術(shù)因素影響，不得不推遲到兩年后發(fā)射。
目的地相同，“趕路”時(shí)間不一
如果翻閱歷史資料就會(huì)發(fā)現(xiàn)，即便國際上歷次火星探測幾乎都沿著霍曼轉(zhuǎn)移軌道飛行，“趕路”時(shí)間卻有長有短。
美國發(fā)射的“水手4號”火星探測器，從距離火星1萬公里的高空處拍攝并回傳了第一張火星表面的照片。這張充滿了隕石坑的照片當(dāng)時(shí)震驚了科學(xué)界。該探測器于1964年11月底發(fā)射，1965年7月中旬飛越火星，時(shí)隔8個(gè)半月。
與“水手4號”同一系列的“水手9號”則在“趕路”途中費(fèi)時(shí)較少。該探測器于1971年5月底發(fā)射，同年11月中旬抵達(dá)，成為人類派往火星考察的第一顆人造火星衛(wèi)星。飛行時(shí)間僅5個(gè)半月。
隨著時(shí)間推移，后續(xù)發(fā)射的火星探測器飛行時(shí)間反而有增長趨勢。
據(jù)此前《人民日報(bào)海外版》報(bào)道，此次我國首次火星探測任務(wù)計(jì)劃飛行7—8個(gè)月。當(dāng)然，還有時(shí)間更長的“探火”之行。如1975年美國發(fā)射的“海盜1號”，耗時(shí)10個(gè)月駛向火星;2013年印度發(fā)射的“曼加里安號”，耗時(shí)11個(gè)半月才進(jìn)入火星軌道。
目的地相同，為何“趕路”時(shí)間不一?
劉勇告訴科技日報(bào)記者，火星探測器飛行時(shí)間相差較大，除了工程實(shí)際中火箭的運(yùn)載能力和火星探測器本身的質(zhì)量以外，還有兩方面因素。
其一，地球、火星的公轉(zhuǎn)軌道都不是真正意義上的正圓軌道，因此即便二者距離最近時(shí)，這一最近距離也有長有短。同理，如果不是同一年“窗口期”發(fā)射的火星探測器，其飛行距離也略有差別，飛行時(shí)長自然也會(huì)有所不同。
“每一次‘窗口期’火星探測器飛行的距離不等，下一次探測器飛行距離最短的‘窗口期’在2035年，這在天文學(xué)上被稱為‘火星大沖’。”劉勇說。
其二，飛行時(shí)間也與飛掠、環(huán)繞等不同的探測目標(biāo)有關(guān)。飛掠火星只需靠近即可，相當(dāng)于“一日游”，旅途中驚鴻一瞥，拍下幾張照片，揚(yáng)長而去。環(huán)繞火星則需要在特定時(shí)刻“剎車制動(dòng)”，進(jìn)入火星軌道成為人造火星衛(wèi)星，相當(dāng)于“深度游”，此后扎根在火星周圍，直至生命終結(jié)。因此，當(dāng)探測器以環(huán)繞火星為任務(wù)目標(biāo)時(shí)，其所攜帶的燃料更多，變軌相對復(fù)雜，飛行時(shí)間也相對長些。
除了飛行時(shí)間不一外，火星探測作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，還有很多耐人尋味的科學(xué)問題值得探究。正如劉勇所言：“航天工程是人類的科技極限挑戰(zhàn)，具有極高的風(fēng)險(xiǎn)性。期待我國首次自主火星探測任務(wù)圓滿成功。”
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火星魅力讓“探火”大軍日益壯大
國際火星探測始于20世紀(jì)60年代。90年代以來，火星探測迎來又一高潮，相關(guān)科研任務(wù)進(jìn)行得如火如荼，包括美、俄、日、歐、印等國在內(nèi)的“探火”大軍日益壯大。截至目前，火星探測任務(wù)已實(shí)施40余次，其中美國20余次，蘇聯(lián)/俄羅斯實(shí)施次數(shù)緊隨其后，日本、歐空局和印度也分別進(jìn)行過“探火”任務(wù)。火星魅力之大，可見一斑。
那么，各國為何對火星如此“鐘情”?
“火星是太陽系內(nèi)與地球特點(diǎn)最為接近的行星，是人類未來移民的首選地。” 張偉表示，火星上的重力約為地球的2/5，具備較稀薄的大氣——大氣成分為95%的二氧化碳、3%的氮?dú)?、很少的氧氣和水汽等，且可能存在水資源，通過合理改造有希望成為未來人類可以駐留的地外生存空間。
“再者，火星探測的科學(xué)價(jià)值十分突出。”劉勇在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)如是說。
是什么原因?qū)е禄鹦鞘チ怂?它怎樣從一個(gè)藍(lán)色星球變成現(xiàn)在一片荒漠的紅色星球?其大氣、環(huán)境是如何演化的?火星的今天有沒有可能就是地球的明天?這些都是科學(xué)家們想要通過相關(guān)探測去解答的問題。
此外，張偉指出，火星探測是涉及眾多高新技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)工程，要解決軌道設(shè)計(jì)、自主姿態(tài)確定與控制、著陸導(dǎo)航、熱控制、輻射防護(hù)、遙操作與遙分析、深空測控通信等技術(shù)問題，能夠帶動(dòng)系統(tǒng)工程、自動(dòng)控制、能源、材料、通信、遙感等眾多領(lǐng)域的迅速發(fā)展，也是一個(gè)國家科技實(shí)力和創(chuàng)新能力的重要體現(xiàn)。“在國際競爭日趨激烈的今天，火星探測已成為目前及未來很長一段時(shí)期國際航天大國競爭的主要‘競技場’。”張偉說。 (實(shí)習(xí)記者 于紫月)
