「天問一號」探索火星關鍵 中國科技挑戰恐怖9分鐘

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  寄託着中國科技夢的「天問一號」探索火星,並一次完成「繞、落、回」,這是中國最具進取的太空任務之一,其成敗的關鍵是能否闖過着陸火星前的「恐怖9分鐘」,這過程也最考驗中國科技。

距離1億公里遠 難實時遙控 成中國科技難題 

  2020年7月23日中午12時41分,「天問一號」由凝聚中國科技的運載火箭「長征五號」搭載升空,36分鐘07秒後順利進入預定軌道,開始漫漫征程。依照設計,「天問一號」沿着地(球)火(星)轉移軌道,以大約每天30萬公里高速飛行,途中需要多次修正軌道,7個多月後,也就是2021年2月底到達火星附近。

  此際「天問一號」的速度是每秒大約3公里,比火星軌道的逃逸速度每秒1公里快得多,因此它必須改變飛行姿態,180度「轉身」用發動機反推來「煞車」,以便被火星的引力捕獲並進入環繞火星軌道,整個過程約20至30分鐘。這一步是火星探測任務的第一個難點,也是對中國科技其中一個考驗,如果「剎車」早了,「天問一號」速度降得太低,便會墜入大氣層和撞向火星表面;遲了就不能被火星引力捕獲,會繼續飛向宇宙深處。

  延伸閱讀:「天問一號」探火星 最進取中國科技任務

2020年10月1日,中國國家航天局發布「天問一號」奔赴火星途中的的自拍照,相中可清楚看到探測器上的五星紅旗。(圖片來源:中新社)

  由於「天問一號」和地球已超過1億公里距離,無綫電通信的單程時間就要17分鐘,所以科學家們無法從地球實時發指令遙控,它只能依靠設定的程序來操作,技術要求極高。日本在1998年曾發射「希望號」火星探測器,就是在這一階段遇挫折,與火星擦肩而過。

  過了這一關,「天問一號」會變成環繞火星的衞星。它慢慢降到適當高度後,會在火星軌道運行大約75天,這時軌道器的7部探測儀器,包括中、高分辦率相機、地下勘測雷達、礦物光譜探測儀、火星磁強計、離子與中性粒子分析儀、能量粒子分析儀陸續開始運作,對火星的地形地貎、內部構造、氣象環境等方面作普查式探測。其中的高分辨率相機,從400公里軌道拍攝的分析度達到2米。  

半空懸停視察着陸點 見證中國科技大突破 

  與此同時,這些儀器亦對着陸器的着陸地點進行探測,然後「天問一號」將適時釋放出着陸器,着陸器隨即進入大氣層,在火星表面軟着陸。這激動人心的日子是2021年的5月15日。

  不過着陸器到達火星表面之前,還要再過難關。

  雖然火星大氣層稀薄,但着陸器下降速度高,摩擦生熱下其表面就像一團火,故需要在其前面有一個隔熱外殼。當速度降下來後,隔熱外殼會被拋掉,繼而大型降落傘(減速)打開,繼續減速。當速度再降至某標準時,降落傘也會脫落,着陸器的反推引擎馬上點火,讓速度進一步降低,直至在空中懸停。

「天問一號」從脫離軌道環繞器到着陸火星、放出火星車的過程將非常驚險。

  這時着陸器要自行觀察着陸點是否適合,例如有否隕石坑或大塊岩石。如果有,着陸器便要平移,躲開這些障礙物再着陸。在着陸器與火星表面接觸時,它4條有彈性的「腿」還可起緩衝作用。

  「天問一號」的着陸器從離開軌道器、進入火星大氣層,到抵達火星表面,全程大約為9分鐘,箇中對各方面技術的要求極高,而且同樣因為地球和火星間通信時間差,只能靠着陸器自身設定的程序,所以這也是「天問一號」征途中最驚心動魄的一段;由於這過程實在太驚險,科學家將之稱為「恐怖9分鐘」。

  在此之前,美、蘇和歐洲太空總署都有探測器折戟在這幾分鐘裏,致前功盡廢。事實上,在2020年前,美、蘇只有8個探測器成功登陸火星,當中包括4輛火星車。

  另外,探測器着陸火星的過程,美國稱之為「恐怖7分鐘」,為甚麼中國的「天問一號」會多了2分鐘呢?有報道指這是因為「天問一號」用了更大的降落傘,讓它能在更高的高度開傘,爭取更多空中調整時間;同時它在着著陸過程中加了主動懸停避障,這是美國探測器所沒有的。所以「天問一號」着陸時間較長,但安全系收也更高。   

一次完成「繞、着、巡」 成中國科技大亮點 

  平安抵埗後,「天問一號」着陸器在2021年5月22日放出巡視器,也就是「祝融號」火星車。「祝融號」火星車長3.3米,寬3.2米,高1.85米,重240公斤,裝有可以拍攝火星表面以下100米圖像的透地雷達,以及磁場探測器、氣象測量儀、火星表面化合物探測器、多光譜相機、導航和地形相機等6套儀器。它以太陽能為能源,能在火星上巡視和工作最少90個火星日(一個火星日相當於24小時39分鐘),期間會採集岩石土壤等,為中國獲取第一手的火星地質資料。

中國的火星車裝載有6套儀器,能獲取大量一手地質資料,對科學家了解火星的情況極有幫助。(網上圖片)

  當這一切順進行,中國便成為第一個一次完成對火星「繞、着、巡」的國家,也將是繼美國之後,第二個有火星車安全着陸和巡視探測火星的國家,在歷史上留下濃墨重彩的一筆。

  至於「天問一號」的軌道器,會繼續留在軌道上運行約23個月,除了繼續探測外,還會作為中繼衛星,把火星車發出的信號轉發回地球。

  延伸閱讀:碼出火星大氣演練場,北理工副教授幫天問一號挺過恐怖9分鐘

「天問一號」發射前,中國科技人員在河北懷來的試驗場模擬測試其懸停、避障等過程。(圖片來源:中新社)

 

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