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【博評】呂琪:目標是星辰大海!「天問一號」有何犀利?

中國行星探測計劃的徽號。(網絡圖片)

 

 

7月23日,由中國空間技術研究院自主研製的火星探測器「天問一號」,在海南文昌航天發射場順利升空,備受矚目的中國首次火星探測計劃拉開序幕。計劃經過200多天的旅行後著陸火星,一切順利的話,中國將成為繼美國和蘇聯之後,第三個在火星上運行航天器的國家。

 

「天問一號」的厲害之處

中國的火星探測器「天問一號」分為環繞器與著陸巡視器兩部分,由長征五號火箭發射至地火轉移軌道,隨後在地面測控系統的支援下,通過多次軌道機動和中途修正,在近火點實施制動,進入環火橢圓軌道,運行到選定的進入窗口,探測器將進行降軌控制,釋放著陸巡視器。

天問一號近影,下方是軌道器,而上方白色的是再入熱盾,著陸器及巡視器就在裏面。(網絡圖片)

 

著陸巡視器進入火星大氣後,通過氣動外形、降落傘、反推發動機等多級減速和著陸腿緩衝,火星車(即巡視器)和著陸平台分離後,將開展區域巡視探測,並開展火星全球性和綜合性探測,對火星表面重點地區作精細巡視勘查。而環繞器作為火、地聯繫的中繼站,將在著陸巡視器分離後,數次調整軌道,為火星車提供中繼通信鏈路,並開展環繞科學探測。

首飛即實現火星環繞、著陸和巡視探測的「三步並走」,才是在中國此次「天問之旅」的犀利之處。

2011年發射的費貝斯-土壤(費貝斯即火衛一)計劃是一項針對火星衛星登陸並取得土壤壤本返回地球的計劃,計劃野心頗大,但最後連進入地火轉移軌道都沒法達到。十分奇怪的是,自前蘇聯時代開始,其金星探測計劃非常成功,甚至能造出在金星極高溫及高大氣壓環境下工作一小時的登陸器,但火星探測計劃卻幾乎全都失敗。(網絡圖片)

 

密集的火星發射計畫

人類進擊火星的嘗試由蘇聯在1960年開啟,六十年來,共計45次發射,19次成功。對於中國的火星探索計劃筆者關注已久,其實早在2011年,中國就有了首次火星探索計劃「螢火一號」,當時是搭載俄羅斯的「天頂號」運載火箭,在哈薩克拜科努爾發射場點火發射,不過也許是改錯了名,很遺憾由於火箭的變軌失敗,探測器沒有進入預定軌道,計劃失敗了,「螢火一號」如螢火般消失於茫茫太空。

ESA的外火星計劃第二階段,包括著陸的支援平台與火星車。不過由於天空的通訊中繼及空中支援工作已有第一階段(2016年發射)的Trace Gas Orbiter負責,外火星第二階段的任務也較簡單。順帶一提,外火星第一階段其實也有一個小型且只維持運作3-10日的著陸器,但這東西降落失敗並直接撞在火星上…….(網絡圖片)

今年除中國發射火星探測器,原本還有三個國家有火星探索計劃。分別是:美國國家航空航天局(NASA)在7月30日至8月15日期間發射「毅力」號火星車,它將降落在火星表面的Jezero隕石坑,一個被科學家描述為尋找微生物生命跡象目標的巨大盆地;以歐洲和俄羅斯合作的「外火星」計劃;以及阿拉伯聯合大公國的「希望號」火星探索任務。

阿聯酋的「希望號」是由日本負責發射, 7月20日在種子島航天中心順利升空,「希望號」沒有火星著陸計劃,相較「天問一號」操作要簡單些。歐洲和俄羅斯原定於今年7月或8月進行的「外火星」任務,由於3月時其新型降落系統還有問題,無法趕及在7月前趕及修改設計及測試,已經推遲到2022年了。目前,美國的「毅力號」還在擇機待發(註:「毅力號」已於7月30日發射),但願能順利升空,同「天問一號」做伴。

 

發射火星探測器的三要素

有網友問,中國在第一次火星探索計劃失敗後,為什麼要等這麼久,才選擇在今年重啟?這就不得不提到下面的三個因素:

 

編按:2003-2022年火星衝(地火在每軌道周期內最近的時間)火星與地球相對位置圖。這次火星大衝地火距離算是20年來第三近了。照片來自網絡。

第一—視窗期

人類飛往火星這一深空目標,一般都要選擇最近的路線,因為飛船在太空中,會受到地球,火星,太陽等各個天體的引力影響。就是說,路線越短,受到別的天體影響越小,越容易發射成功。由於地球和火星相對太陽位置不同,二者的軌道周期、長短完全不同,地球是365天,火星是687天。它們存在一個約780天的會合周期。每到這一刻,火星和地球的相對位置最小,可以允許人類在現有技術下實現一次火星探測。

上一個火星探測時間視窗是2018年的5月份,當時全世界只有一個航天器出發前往火星。就是美國NASA的「洞察號(Insight)」火星著陸器,它沿用了「鳳凰號」火星著陸器的平台,實現火星登陸,它的主要目標任務是攜帶各類土壤和地下探測設備,全面解析火星土壤和內部結構隱藏的秘密。

而兩年零一個月後的2020年7月,正好是又一個火星探測的最佳視窗期(編按:即火星衝),所以各個國家都選擇在今年這個時候飛往火星。

 

第二—經濟性

從中國公佈的火星探索計劃來看,整個飛行需要200多天的時間,以現在人類的航天水準來說,探測器搭載不了太多的燃料。所以除了選擇最佳視窗期以外,選擇一條能耗最低的路線,比選擇距離最短的路線更為重要。

霍曼軌道又稱霍曼轉移軌道,雖然移動距離較長,但只需開動引擎兩次(加速脫離地球軌道、減速進入火星軌道),任務相對簡單。若採取直接軌道方式,不但要使手更多燃料於加減速上(以提高脫離速度),減速時還需要多次減速才能進入環火軌道。類似軌道只有執行飛掠任務且注定飛出太陽系的探測器才會使用。(網絡圖片)

 

經過科學家們的計算,最佳的軌道只有一條,就是外切於地球公轉軌道,同時內切于火星公轉軌道的橢圓軌道,這條軌道是奧地利科學家霍曼在1925年提出來,因此也被稱為「霍曼軌道」。這條軌道雖然使得探測器從地球到達火星的時間延長至259天,在時間和路程上做出了犧牲,但確實是一條「性價比最高」的軌道。探測器飛近火星後,經過兩次在軌變速,就能從能量較低的軌道進入能量更高的軌道。所以,「天問一號」到達火星,將是明年春節以後的事情。

如果看過科幻小說家劉慈欣的作品《三體》,其中在第二部《黑暗森林》,描述中國太空軍在探討宇宙航行動力的推進方式時,採取的就是「霍曼軌道」飛行。好萊塢的科幻電影《星際穿越》中,利用大黑洞的引力彈弓效應借力飛行,其本質上也是利用「霍曼軌道」的原理。

長征五號是今次三個發射任務中所用載荷最大型火箭,地火轉移軌道都有5-6噸運載能力,可搭載的東西更多,故也能一口氣完成運載火星探測 / 訊號中繼衛星、著陸器及火星車三大目標。(網絡圖片)

 

第三——載具問題

在具備上述兩個條件後,還有完成這次火星探索計劃的最後一環——載具。毫無疑問,最新的「長征五號」大推力運載火箭(網上昵稱:胖五)將是把「天問一號」送進這個軌道的最佳選擇。

美國首個火星著陸探測器海盜1/2號。由於需要同時發射具地形探測功能的環火人造衛星,海盜一號超過3.3噸質量。天問一號由也是要一次過發射三種載荷,故構形與其類似,但質量進一增加至五噸。(網絡圖片)

 

2011年中國之所以選擇俄羅斯的火箭來搭載「螢火一號」,就是因為當時的中國,缺乏能進行深空探索的大推力火箭。今年初,「長征五號」運載火箭發射成功後,使得中國終於擁有了自己進行深空探索的利器,這就是「胖五」試飛成功後,令中國的航天人激動萬分的原因。從試射成功到首次執行發射任務,僅用短短的半年時間,令人驚歎。

現在,「天問一號」已如期升空,開始了漫長的太空旅程,希望中國這次的火星探索計劃一切順利。明年春暖花開之時,我們將收到來自火星的問候。

「天問一號」正大步流星走向國人的目標——星辰大海!

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呂琪
香港輕新聞特邀軍事評論員

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