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帖子主题:雄心勃勃 中国空间探测瞄准火星、小行星和木星

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雄心勃勃 中国空间探测瞄准火星、小行星和木星

雄心勃勃 中国空间探测瞄准火星、小行星和木星

从世界空间探测的发展态势看,月球与火星探测仍为未来全球空间探测的两大重点目标,小行星探测成为空间探测领域的另一个热点;木星和土星系探测将成为深空探测下一个远大目标。

火星是离地球最相似且近的类地行星,具备了生命存在的必要条件,并有可能成为人类未来移民的理想星球。因此,火星成为目前除地球以外人类研究程度最高的行星,人类用空间探测器对火星进行探测的历史几乎贯穿整个人类航天史,越来越多的国家将火星作为未来太空探索蓝图的新目的地,都在稳步推进火星探测活动。例如,目前,在火星轨道有6个火星轨道器和2辆火星漫游车。2020年,中国、美国、欧洲/俄罗斯、印度、阿联酋都将发射火星探测器。

中国火星探测计划的总体科学目标包括:(1)研究确定火星着陆和生命存在的条件与地区。。(2)研究火星土壤特性及其水冰、气体 与物质组成。(3)研究火星大气及气候特征。(4) 研究火星地质特征、演化与比较行星学。

2016年1月11日,中国政府正式批复首次火星探测任务,计划于2020年择机发射火星探测卫星,一步实现“绕、落、巡”工程目标,也就是说,中国首次火星探测任务,不仅要实现环绕火星,对火星进行全球遥感探测,还要突破火星进入、下降、着陆、巡视和远距离测控通信等关键技术,对火星进行着陆巡视工作,并对火星的土壤环境、大气、以及水等话题展开研究,这意味着中国将真正意义上迈入深空探测。

目前,国外对火星的探测采用分别进行“绕、落、巡”的方式,只有欧洲先后2次试图用一次发射完成对火星的环绕探测和着陆探测,但都取得了部分成功,即火星轨道器进入火星轨道,而着陆器在着陆火星的过程中均失败。

中国火星探测起步晚,但起点最高。中国首次火星探测一次实现“环绕、着陆、巡视”三个目标,这在世界火星探测史上是从所未有的,所以要面临巨大的挑战。火星距离地球最远达4亿千米,探测器在器箭分离后要经过约7个月巡航飞行被火星捕获,环绕器环绕火星飞行后要与着陆器-巡视器分离,然后进入任务使命轨道开展对火星全球环绕探测,同时为着陆器-巡视器开展中继通信,这在轨道设计上就要兼顾环绕和着陆的需求。着陆器-巡视器与环绕器分离后进入火星大气,经过气动外形减速、降落伞减速和反推发动机动力减速,最后下降着陆在火星表面,巡视器,即火星车驶离着陆器平台,开始火星表面巡视探测,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。

由于火星距离地球遥远,所以火星探测器的数据传输会有较大的时延,这就要求火星车必须具有很高的自主能力。另外,同样一个信号,从月球发射到地球接收和从火星发射到地球接收要差100万倍,从火星发回地球的信号衰减得很厉害,因此对火星探测器的测控要求很高。同时,因为火星距离太阳远,火星光照强度小,加上火星大气对阳光的削减作用,火星车能源供给也比月球车更为困难。进入火星轨道并在火星表面着陆的技术最为复杂,被称之为恐怖7分钟,国外的很多火星探测器都在这一关倒下了。火星探测的这些特点都使得中国首次火星探测任务更具难度和复杂性。尽管如此,但是中国火星探测器研制团队抱有必胜的信心,因为他们已进行了长期的技术储备。

将在2020年中国首次火星探测一次实现“环绕、着陆、巡视”三个目标,这在世界火星探测史上是从所未有的,所以面临巨大的挑战。例如,由于火星距地球最近距离为5500万千米,而最远距离超过4亿千米,探测器与地球测控站的信息传输会有较大的时延,所以这就要求火星探测器必须具有很高的自主能力。另外,同样一个信号,从月球发射到地球接收和从火星发射到地球接收要差100万倍,从火星发回地球的信号衰减得很厉害,因此对火星探测器的测控要求很高。同时,由于火星距离太阳远,火星光照强度小,加上火星大气对阳光的削减作用,火星车能源供给也比月球车更为困难。火星探测的这些特点都使得中国首次火星探测任务更具难度和复杂性。虽然困难重重,但是中国火星探测器研制团队抱有必胜的信心,因为他们已进行了长期的技术储备。

中国首个火星探测器将在2021年7月前到达火星。进入火星轨道后,先用环绕器拍摄并发回火星表面图像,以确定最终着陆地点;然后,环绕器与着陆器-巡视器组合体分离,着陆器-巡视器组合体进入火星大气在选定的着陆点软着陆。它采用了“四段式”的着陆方式,包括气动外形减速、降落伞减速和反推发动机动力减速和缓冲等阶段。分离后,火星环绕器在轨道上继续成像和其他科学任务,其工作时间约为一个火星年,相当于在地球上2年。着陆器-巡视器组合体在火星表面着陆后,巡视器,即火星车驶离着陆器平台,火星车设计寿命为3个火星月,相当于地球上的92天,设计重量约200千克,装有4个太阳能电池板,搭载了13台(套)科学载荷,包括不同分辨率的火星遥感相机和能探测火星浅层结构的浅层雷达等,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。

为了规避火星极端天气的影响,中国火星车不仅设置了自主休眠和自主唤醒功能,还将使用独立自主地打造的多项“黑科技”。例如,火星车使用的热控材料是新型保温材料——纳米气凝胶,因为火星表面有稀薄的大气,必须针对这一特殊的太空环境采用新的保温材料。纳米气凝胶这种材料很轻,有非常好的隔热性能。此外,火星车在材料商还采用了铝蜂窝夹层材料、铝基碳化硅、复合纤维材料等多种新材料。

据悉,中国的火星着陆地区已初步选定在火星北纬5°~39°一带。之所以选择低纬度地区是由于中国火星车将用太阳能供电,从光照角度考虑,最理想的地方是火星赤道附近,但是火星赤道附近的地形复杂。另外,由于登陆火星99%以上的减速是靠大气减速,因此着陆点海拔越低减速时间越长,着陆越安全。综合考虑地形复杂度、高程、光照条件、温度等因素,火星比较适合着陆点在北纬5°~39°的区域。

此后,中国还将进行火星采样返回探测,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。

据2016年底中国发表的《2016年的中国航天》白皮书介绍,中国正开展火星采样返回、小行星探测、木星系及行星穿越探测等的方案深化论证和关键技术攻关,然后适时启动工程实施,研究太阳系起源与演化、地外生命信息探寻等重大科学问题。

小行星是太阳系形成时残留下来的初始物质,探索小行星可获得太阳系形成的科学信息。在小行星上有可能发现人类可利用的资源与能源。研究近地小行星,可寻找防止小行星撞击地球的技术和方法。所以,近年国际小行星探测日益走红。

在探测了火星之后,中国航天专家建议探测小行星。中国科学家已制定了“小行星探测”计划,即以伴飞、附着、取样返回等探测方式,对近地目标小行星进行整体性探测和局部区域的就位分析。其科学目标为:(1)精确测定近地小行星轨道参数、自转参数和形状大小等物理参数,为规避小行星撞击地球提供科学依据。(2)测量目标小行星的形状、大小、表 面形态、自转状态等基本性质,绘制小行星的地形 地貌图,建立其形状结构模型。(3)获取小行星整体和局部形貌、矿物含量、元素种类、次表层物质成分、空间风化层、内部结构等,为太阳系起源与演化提供重要线索。(4)探测小行星次表层以下的有机物、水等可能的生命信息,深化生命起源的认识。(5)获取小行星临近空间环境参数,研究太阳风对小行星表面的空间风化作用。

其实,中国在小行星探测方面已取得了初步成果。2012年12月13日,完成预定任务的嫦娥2号以10.73千米/秒的相对速度,与图塔蒂斯小行星由远及近“擦肩而过”,首次实现中国对小行星的飞越探测。嫦娥2号小行星最近相对距离达到3.2千米交会时,其星载监视相机对小行星进行光学成像,这不仅是中国首次实现对小行星的飞越探测,也是国际上首次实现对图塔蒂斯小行星的近距离探测,还使中国成为继美国、欧洲航天局和日本之后,第4个探测小行星的国家。它突破并验证了中国空间探测器对小天体探测的轨道设计与飞行控制技术。

木星是太阳系八大行星中最大的一颗,并有很多天然卫星,很像是一个微型的太阳系,所以不少人认为探测木星有助于了解太阳系,尤其是有的木星卫星上可能有生命。但是由于木星距离地球比火星距离地球还远得多,所以其发射、轨道、通信、电源等许多技术十分复杂,成本也很高,所以至今只有美国发射过2个专用木星探测器。

从长远考虑,中国科学家提出了“木星系统探测”计划建议。其总体科学目标主要包括:(1)研究木星磁层结构。(2)研究“木卫二”大气模型。(3)研究“木卫二”表面冰层形貌及厚度。(4)研究金星-地球-木星间的太阳风结构。(5)研究地球生命的地外生存状态及其演变特性。

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      2017/8/9 13:06:48

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