科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來(lái)
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12月1日，中國(guó)探月工程官方公眾號(hào)透露——2021年11月，我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”與歐空局“火星快車”任務(wù)團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)展了“祝融號(hào)”火星車與“火星快車”軌道器在軌中繼通信試驗(yàn)，取得圓滿成功。“祝融號(hào)”和“火星快車”中繼通信示意圖|CNSA/ESA
12月1日，中國(guó)探月工程官方公眾號(hào)透露——
2021年11月，我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”與歐空局“火星快車”任務(wù)團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)展了“祝融號(hào)”火星車與“火星快車”軌道器在軌中繼通信試驗(yàn)，取得圓滿成功。
“祝融號(hào)”和“火星快車”中繼通信示意圖 | CNSA/ESA
“祝融號(hào)”作為我國(guó)成功著陸火星的首輛火星車，為什么會(huì)跟歐空局的“火星快車”合作，進(jìn)行在軌中繼通信試驗(yàn)呢？
這還要從上個(gè)月“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器進(jìn)入新的工作軌道說(shuō)起。
遙感使命軌道
2021年11月8日傍晚，“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器的四臺(tái)120N發(fā)動(dòng)機(jī)工作近260秒，速度增量約78米/秒，順利降低了遠(yuǎn)火點(diǎn)和近火點(diǎn)高度，成功完成第五次近火制動(dòng)，準(zhǔn)確進(jìn)入近火點(diǎn)約265千米，遠(yuǎn)火點(diǎn)約1.07萬(wàn)千米，傾角約87°，軌道周期約7.08小時(shí)（每個(gè)火星日繞行約3.47圈）的遙感使命軌道。
在本次近火制動(dòng)前，“祝融號(hào)”火星車著陸后，“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器曾長(zhǎng)期處在中繼通信軌道，該軌道的近火點(diǎn)也為250~400千米，但遠(yuǎn)火點(diǎn)約1.6萬(wàn)千米，比遙感使命軌道的高出約6000千米。相對(duì)的，軌道周期也更長(zhǎng)，約8.2小時(shí)，即1/3個(gè)火星日。
這一特性使環(huán)繞器在每個(gè)火星日內(nèi)，正好繞飛3圈，其中一圈的近火點(diǎn)，必在“祝融號(hào)”火星車所在的烏托邦平原上空，從而可為“祝融號(hào)”提供中繼通信服務(wù)。
可能有人會(huì)問(wèn)了，“祝融號(hào)”與地面的通信非得靠環(huán)繞器這個(gè)信號(hào)中轉(zhuǎn)站，就不能直接和地面聯(lián)系嗎？
答案是，能，又不完全能。
“祝融號(hào)”具備直接對(duì)地通信能力，但由于地火距離最遠(yuǎn)有4億千米，最近也有5500萬(wàn)千米，直接對(duì)地通信鏈路的傳輸速率極慢，只有16bps。也就是說(shuō)，“祝融號(hào)”每秒鐘僅能發(fā)兩個(gè)數(shù)字給地面，所以直接對(duì)地通信模式只用于傳輸拿來(lái)判斷火星車狀態(tài)的工程遙測(cè)數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)量大的圖像和其他科學(xué)數(shù)據(jù)只能依賴中繼通信傳回地面。
既然如此，為什么“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器要棄“祝融號(hào)”而去，轉(zhuǎn)去一條新的軌道呢？
因?yàn)椋h(huán)繞器不甘只當(dāng)“信號(hào)中轉(zhuǎn)站”，人家有著更重要的使命：火星全球遙感探測(cè)！
遙感使命工作中，環(huán)繞器上的中分辨率相機(jī)（分辨率100米，幅寬400千米）、高分辨率相機(jī)（分辨率最高0.5米，幅寬9千米）、次表層探測(cè)雷達(dá)、礦物光譜分析儀、磁強(qiáng)計(jì)、離子與中性粒子分析儀、能量粒子分析儀等7臺(tái)科學(xué)載荷，將獲取火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造、表面物質(zhì)成分與土壤類型分布、大氣電離層、火星空間環(huán)境等科學(xué)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注隕石坑、火山、峽谷、干涸河床等典型地貌和地質(zhì)單元，實(shí)施高分辨率探測(cè)。
火星全球高分辨率探測(cè)，要求環(huán)繞器相機(jī)在軌道高度低處（近火點(diǎn)附近）“拍照”，這樣的“拍照”還必須覆蓋火星全球，而不能一直只呆在“祝融號(hào)”上空。
這也是它此次變軌的原因——降低遠(yuǎn)火點(diǎn)高度，加快飛行速度，利用火星重力場(chǎng)特性（軌道攝動(dòng)）實(shí)現(xiàn)近火點(diǎn)漂移（改變近火點(diǎn)所在的經(jīng)緯度），這樣就能實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的探測(cè)，覆蓋火星全球不是夢(mèng)！
一般來(lái)說(shuō)，近火點(diǎn)漂移的規(guī)律為從南到北、再由北向南，如此循環(huán)往復(fù)，約200天能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)火星一次全球覆蓋探測(cè)。按此推算，明年6月，我們應(yīng)該就能見(jiàn)到國(guó)產(chǎn)的火星全球高清高精影像圖了！
環(huán)繞器進(jìn)入遙感探測(cè)軌道后，與“祝融號(hào)”中繼通信的機(jī)會(huì)必然相對(duì)變少。為此，中國(guó)航天局早前就與歐空局建立了合作共識(shí)，“祝融號(hào)”將在歐洲“火星快車”軌道器的幫助下，增加中繼通信的機(jī)會(huì)，提高通信速率和科研效率。
火星上的國(guó)際合作
“火星快車”是歐洲空間局2003年發(fā)射升空的火星探測(cè)器，于當(dāng)年年底進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道，至今已運(yùn)行了18年。
一般情況下，在建立中繼通信前，軌道器會(huì)先向火星車發(fā)送一個(gè)“發(fā)起”信號(hào)，隨后火星車回復(fù)“確認(rèn)”信號(hào)，然后雙方建立穩(wěn)定的雙向中繼通信鏈路——就像朋友打電話需先撥通電話一樣。
然而，“火星快車”發(fā)射頻率與“祝融號(hào)”接收頻率不匹配，不能通過(guò)“撥通電話”的方式建立通信鏈路。
好在“祝融號(hào)”發(fā)射頻率與“火星快車”接收頻率匹配，因此需要事先約定好通信時(shí)間，由“祝融號(hào)”直接發(fā)送數(shù)據(jù)，“火星快車”進(jìn)行“盲收”。一旦檢測(cè)到“祝融號(hào)”發(fā)出的信號(hào)，“火星快車”就會(huì)鎖定并開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。
“火星快車”搭載的MELACOM通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初時(shí)就具備盲收功能。這原本是給跟“火星快車”一同奔火的“小獵犬2號(hào)”著陸器準(zhǔn)備的。
可惜，2003年圣誕節(jié)那天，“小獵犬2號(hào)”在著陸火星后失聯(lián)，“火星快車”的這項(xiàng)功能一直沒(méi)有機(jī)會(huì)啟用過(guò)。
這次與“祝融號(hào)”的中繼通信測(cè)試，是“火星快車”18年來(lái)首次在地外實(shí)測(cè)這一功能。
兩個(gè)探測(cè)器協(xié)商后，安排了5個(gè)用于本次測(cè)試的器間通信窗口（以下均為北京時(shí)間）：
在約定時(shí)刻，由“祝融號(hào)”向“火星快車”發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，通信距離約4000千米，通信時(shí)長(zhǎng)10分鐘。
“火星快車”接收數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給歐空局所屬深空測(cè)控站，測(cè)控站接收后發(fā)送給歐洲空間操作中心（ESOC），ESOC再轉(zhuǎn)發(fā)至北京航天飛行控制中心，由中方技術(shù)團(tuán)隊(duì)解譯后，判讀數(shù)據(jù)的正確性。
根據(jù)數(shù)據(jù)判讀分析結(jié)果，雙方任務(wù)團(tuán)隊(duì)確認(rèn)“祝融號(hào)”和“火星快車”配置的中繼通信設(shè)備接口匹配，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容完整正確，試驗(yàn)取得成功。
此次中歐雙方的火星探測(cè)合作，對(duì)我國(guó)而言，有助于提高祝融號(hào)的科學(xué)探測(cè)效率與地面所接收的數(shù)據(jù)量；對(duì)歐空局而言，既能共享祝融號(hào)科學(xué)數(shù)據(jù)，又能測(cè)試火星快車號(hào)的數(shù)據(jù)盲收功能。這可以說(shuō)是一次“雙贏”的太空合作典范。
后續(xù)，在本階段試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)和歐空局進(jìn)一步開(kāi)展科學(xué)數(shù)據(jù)中繼通信合作。
在此，我們不妨再來(lái)回顧一下“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)的歷程和亮點(diǎn)。
“天問(wèn)一號(hào)”漫漫火星路
2020年7月23日12時(shí)41分05秒，“天問(wèn)一號(hào)”在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)101工位由長(zhǎng)征五號(hào)遙四火箭發(fā)射升空，踏上奔火之路，筆者有幸在現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證了這一歷史性時(shí)刻。
歷時(shí)6個(gè)半月的航行，“天問(wèn)一號(hào)”完成4次軌道中途修正和1次深空機(jī)動(dòng)，于2021年2月10日通過(guò)第一次近火制動(dòng)，順利被火星捕獲，開(kāi)始環(huán)繞火星飛行。
有趣的是，在奔火途中，“天問(wèn)一號(hào)”通過(guò)分離一臺(tái)特制的WIFI相機(jī)，在深空中拍下了自拍照（下圖），這在國(guó)際上尚屬首次。
進(jìn)入環(huán)火捕獲軌道后，“天問(wèn)一號(hào)”又在半個(gè)月內(nèi)，通過(guò)遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動(dòng)、第二次和第三次近火制動(dòng)，進(jìn)入環(huán)火停泊軌道。
此時(shí)的軌道傾角由起初的10°變?yōu)榧s87°，即近乎垂直著火星赤道飛行，這是后續(xù)遙感探測(cè)所必需的條件；遠(yuǎn)火點(diǎn)高度由約18萬(wàn)千米降低至約6萬(wàn)千米，軌道周期變?yōu)?個(gè)火星日，可確保每次飛到近火點(diǎn)附近都在預(yù)定著陸區(qū)域?yàn)跬邪钇皆峡?/strong>，使探測(cè)器能不斷勘察著陸區(qū)域，為落火做準(zhǔn)備。
經(jīng)過(guò)3個(gè)月的精心籌謀，2021年5月15日凌晨，“天問(wèn)一號(hào)”完美執(zhí)行了降軌制動(dòng)、兩器分離、環(huán)繞器升軌等一系列復(fù)雜動(dòng)作。
當(dāng)天7時(shí)左右，著陸巡視器以4.5千米/秒的速度沖入了火星大氣當(dāng)中，開(kāi)始了進(jìn)入、下降和著陸（EDL）火星的關(guān)鍵而恐怖的9分鐘。
在這9分鐘的前一半時(shí)間內(nèi)，著陸巡視器處在氣動(dòng)減速段，通過(guò)與火星大氣的高速摩擦，減掉了約90%的速度。之后，在近2馬赫的情況下超音速開(kāi)傘，進(jìn)入降落傘減速段。
開(kāi)傘后一段時(shí)間，在8.5km高度處拋掉大底。當(dāng)速度降至100m/s，高度達(dá)1.2km時(shí)，背罩拋離，7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)機(jī)，進(jìn)入動(dòng)力減速段。
在高度降低至約100米時(shí)，著陸巡視器開(kāi)始懸停避障，通過(guò)“空中漂移”到合適的著陸位置上空，再緩速下降。
最終，在5月15日7時(shí)18分，水平和垂直速度都降低到0，并且4支著陸腿在著陸瞬間進(jìn)一步緩沖著陸速度，使著陸巡視器穩(wěn)穩(wěn)地落在了火星烏托邦平原上（25.066°N, 109.925°E）！
5月17日，環(huán)繞器于完成了第四次近火制動(dòng)，遠(yuǎn)火點(diǎn)由6萬(wàn)千米降低到1.6萬(wàn)千米，軌道周期變?yōu)?/3個(gè)火星日，順利進(jìn)入中繼通信軌道。
此后，環(huán)繞器在每個(gè)火星日都有4~6小時(shí)的時(shí)間開(kāi)展中繼通信，既能將地面指令發(fā)給“祝融號(hào)”，也能把“祝融號(hào)”的科學(xué)數(shù)據(jù)傳回地面。
以6月3日-4日為例，一個(gè)火星日內(nèi)的“天問(wèn)一號(hào)”中繼通信機(jī)會(huì)分布情況（藍(lán)線、黃線為祝融號(hào)上空的環(huán)繞器高度角/兩器距離，高度角越高越好，兩器距離越小越好）
“祝融號(hào)”漫游紅色大地
2021年5月22日10時(shí)40分，“祝融號(hào)”火星車“走下”了著陸平臺(tái)，踏上火星大地，邁出了0.522米的第一步，以紀(jì)念5·22這一特殊日子。
在“祝融號(hào)”最初工作的90天內(nèi)，為我們貢獻(xiàn)了許多驚艷照片！諸如“中國(guó)印跡”、“著巡合影”、背罩和降落傘照片，以及多次環(huán)拍成像與火星地形地貌成像。
有趣的是，“天問(wèn)一號(hào)”/“祝融號(hào)”還準(zhǔn)備幾個(gè)小彩蛋：
著陸平臺(tái)上藏有2022北京冬奧吉祥物“冰墩墩”和 “雪容融”（黃圈處）。
“祝融號(hào)”火星車表面和“天問(wèn)一號(hào)”著陸平臺(tái)上，各有一面國(guó)旗，都采用輕量化的特殊材料設(shè)計(jì)，后者更是設(shè)計(jì)了類似中國(guó)傳統(tǒng)文化中書畫/畫軸的展開(kāi)方式，利用形狀記憶復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)國(guó)旗的鎖定和釋放。
“天問(wèn)一號(hào)”的主降落傘上帶有兩個(gè)“火”字。這頂主傘是鋸齒形盤縫帶傘，展開(kāi)面積達(dá)200平方米，共有48根傘繩牽引。著陸火星最難的步驟便是2倍聲速的超音速開(kāi)傘，以往國(guó)外不少探測(cè)器折戟于此，而“天問(wèn)一號(hào)”第一次就能獲得成功，離不開(kāi)4次超音速高空開(kāi)傘試驗(yàn)的堅(jiān)實(shí)保障。
“祝融號(hào)”火星車“腦門”上的“火”字車標(biāo)，其設(shè)計(jì)源于出土于黑龍江海林縣的一枚800年前北方金朝印章“恒術(shù)火倉(cāng)之記”。這是一個(gè)不太大的官的印章，該“火”字是用九疊篆的手法將字形抽象處理得到的。
“祝融號(hào)”火星車行駛留下的車轍印上帶有“中”字，不但具有中國(guó)特色，而且蘊(yùn)涵著一定的科學(xué)道理：正常在行駛比較堅(jiān)硬的地面上的話，兩個(gè)“中”字之間的距離是1米；若兩個(gè)字之間距離較小，如0.5米，則說(shuō)明火星車在打滑，很可能出現(xiàn)沉陷，就比較危險(xiǎn)了。所以，這個(gè)“中”字可輔助測(cè)量車行駛的滑移率，是判斷火星車是否行駛正常的視覺(jué)依據(jù)。
“祝融號(hào)”火星車在巡視探測(cè)期間，按照“七日一周期，一日一規(guī)劃，每日有探測(cè)”的高效探測(cè)模式運(yùn)行，6臺(tái)科學(xué)儀器各顯神威：
2021年9月13日至10月18日，“祝融號(hào)”進(jìn)入日凌階段，開(kāi)始了一個(gè)多月的休假。
所謂日凌，即地球與火星公轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)，地-日-火幾乎連成一條直線，太陽(yáng)橫亙?cè)诘鼗鹬g，并干擾地火之間的通信聯(lián)系。
如此一來(lái)，就無(wú)法保證火星車能收到正確的地面指令了，所以為安全起見(jiàn)，需暫停“祝融號(hào)”巡視探測(cè)工作，原地待命。
日凌期間的“祝融號(hào)”，雖然不再移動(dòng)，但控制系統(tǒng)和各電子設(shè)備仍保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，“大腦”還是清醒的。
環(huán)繞器則與地面持續(xù)保持功率較低的低增益天線通信，科學(xué)家從中獲取了日凌狀態(tài)下深空測(cè)控通信受干擾情況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為后續(xù)任務(wù)應(yīng)對(duì)日凌積累了一手?jǐn)?shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)。
出日凌后的“祝融號(hào)”火星車，至今的工作時(shí)間已超90天設(shè)計(jì)壽命的2倍，成為我國(guó)又一個(gè)超期服役的深空探測(cè)器。
截至12月1日，“祝融號(hào)”火星車在火星表面工作196個(gè)火星日，累計(jì)行駛1297米，獲取巡視探測(cè)原始科學(xué)數(shù)據(jù)約10GB，能源充足、狀態(tài)良好。
后續(xù)拓展任務(wù)階段的“祝融號(hào)”火星車，計(jì)劃向南行駛，探測(cè)距其2千米處的沿陡坎分布的沉積狀沙堆，以研究沙堆的物質(zhì)組成和區(qū)域地形抬升的原因；遠(yuǎn)景探測(cè)目標(biāo)則為距其20千米處的疑似泥火山區(qū)域。
如無(wú)意外，“祝融號(hào)”大概率將在火星這顆孤寂的紅色星球上，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)數(shù)年至十?dāng)?shù)年的科考探索，相信最終行駛里程也會(huì)達(dá)到數(shù)十千米。
我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)任務(wù)的“天問(wèn)一號(hào)”所取得的巨大成功，使我們成為繼美國(guó)之后，第二個(gè)在火星表面實(shí)現(xiàn)巡視探測(cè)的國(guó)家，并且是當(dāng)今世界上唯一一個(gè)同時(shí)開(kāi)展月球和火星巡視探測(cè)的國(guó)家。
值得一提的是，它還開(kāi)創(chuàng)性地一次性實(shí)現(xiàn)了繞、著、巡三大目標(biāo)，在這看似大膽的背后，是10年前的籌劃，千軍萬(wàn)馬為之奮斗6年揮灑的無(wú)數(shù)汗水。
現(xiàn)在，“天問(wèn)一號(hào)”已然踏上新征途，我們或?qū)⒖吹礁鄧?guó)產(chǎn)的高清火星表面照片！科學(xué)家也有望獲得更多新的線索，用于揭示火星地質(zhì)地貌成因、地下水冰分布、遠(yuǎn)古海洋發(fā)展與消失、火星氣候演化等問(wèn)題。
未來(lái)，“天問(wèn)二號(hào)”火星采樣返回任務(wù)已經(jīng)立項(xiàng)，甚至載人登火，都將慢慢成為現(xiàn)實(shí)。
果殼將持續(xù)帶來(lái)中國(guó)深空探測(cè)進(jìn)展，敬請(qǐng)期待。
作者：Phil Leaf
編輯：Steed
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