NASA多次索要天问一号轨道数据!探月总师:科技强国的生动实例

近日,探月工程总师吴伟仁披露了一件颇有意思的事情,就在天问一号环绕火星探测之际大洋彼岸的NASA数次致电我方索要该探测器轨道数据,本着平等互利的原则,我们的态度很明确,美方先提供相关数据,我们再提供。既然是你主动开口要,那么就得拿出诚意。几经拉锯,最终美方没脾气地将火星探测器的轨道数据传给了我们。
图片天问一号太空自拍
此事在吴伟仁总师看来,这是科技强国的生动实例,一个国家科技实力强了,无须多言,在国际舞台上自然会赢得平等对话的地位
就技术水平而言NASA的好奇号、毅力号两辆火星车皆在我们之上,那么他们为什么如此关注天问一号呢?
图片毅力号火星车
因为自人类进入火星探测时代以来NASA在这一领域始终占据着垄断地位,人类第一个成功登陆火星并稳定运行的探测器是NASA的维京一号,距今已有45年时间,人类第一辆成功部署的火星车还是NASA的旅居者号,距今也已有24年时间。
图片重11.5公斤的旅居者号火星车
近半个世纪没有任何玩家可以挑战NASA的火星探测权威,而作为破局者的天问一号可以打破这个垄断,首先它是一个能力证明,什么能力?就是绕落巡火星的能力。
天问一号探测器主要由环绕器与着陆巡视器两大舱段构成,环绕器负责探测器地火转移期间的轨道修正、深空机动、姿态控制、深空通信等职能,近火制动、火星环绕探测也是环绕器的主业。着陆巡视器由进入舱、着陆器、巡视器三大结构组成,主要职责是登陆火星并展开巡视探测。
图片天问一号结构组成
自2月10日第一次近火制动进入火星轨道以来,天问一号已经环绕火星运行整整一个月,经过两次近火制动、一次远火点平面机动、一次轨道修正后,目前探测器正稳定运行在近火点280公里、远火点5.9万公里的环火椭圆轨道上。
图片天问一号近火制动
两个月之后天问一号将实施火星登陆任务,之所以需要环火运行3个月再登陆主要有两点原因,首先这是我国第一次独立探火任务,没有火星一手数据尤其是遥感数据。
当前天问一号火星轨道运行周期约48小时,每当探测器进入近火段飞行时都会飞临乌托邦平原着陆区域上空,且光照条件良好,此时就可以开启高分辨率相机获取着陆点精细图像数据,从而辅助登陆任务,起到事半功倍之效。
图片天问一号环绕器高分相机
前不久航天局就发布了由天问一号环绕器高分相机在距离火面330公里左右高度拍摄的两张0.7米分辨率着陆区域全色照片,成像质量达到了世界领先水平,画面中的最大撞击坑直径约620米,周边直径百米以下的微型撞击坑也清晰可见。
图片天问一号对着陆区高分辨率成像
另一个原因是,如果没有环火运行环节直接登陆,那么着陆器登陆火面后没多久就会进入火星夜晚,留给太阳能电池充电的时间将极为短暂,而环火运行三个月就可以延长充电时间数小时。
火星登陆任务放眼世界迄今为止仅有大洋彼岸一家成功,那么对于我们而言挑战这一殿堂级任务的成功率有多高呢?
有一点可以肯定,如今我们的条件要比NASA实施维京一号登陆任务时要优越得多。
图片成功登陆火星的维京一号
火星进入、减速、着陆EDL过程主要有三大装备考验,分别是进入舱、减速伞、缓速下降控制。
先来看进入舱,以有大气行星进入舱设计而言,我国航天在返回式卫星领域有着丰富的任务经验,神舟飞船成功实施14人次天地往返,嫦娥五号T1返回器、嫦娥五号返回器连续两次高速半弹道跳跃式再入返回,去年新一代载人飞船在世界范围内率先实现倒锥体返回舱的高速半弹道跳跃式再入返回(太空打水漂),着陆精度也刷新了世界纪录。返回舱(进入舱)的气动设计、隔热控制等技术均达到了世界领先水平。
图片新一代载人飞船倒锥体返回舱
天问一号进入舱的球头双锥体气动外形则是上述装备发展的再延伸,且创新应用了配平翼设计,该装置可在进入火星大气过程中建立唯一气动配平点,使得进入舱无论在何种状态下都可以建立正确的进入姿态,从而提高登陆成功率。
图片进入舱配平翼安装位置
进入舱气动减速后就是减速伞减速环节,早在嫦娥5T1任务中我们就在国际上率先揭示了降落伞尺寸效应机理,降落伞与进入舱重量比值下降到2.4%,轻量化设计达到了世界领先水平。
天问一号着陆巡视器的减速伞设计也必然享受这一技术红利,多次高空投放试验均获成功,反观俄欧联合研制的ExoMars火星探测器就是因为减速伞设计缺陷因而遗憾错失2020年发射窗口。
图片ExoMars火星探测器减速伞测试
决定最终胜负的是末段缓速下降段,天问一号着陆器主减速发动机是久经战阵的7500N变推力发动机,它曾助力嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号三次登月三战三捷,该型发动机可在8250~1200N之间无级变速。
依托主减速发动机天问一号着陆器将在距离火星表面100米左右高度悬停,此时探测器垂直速度为零,嫦娥系列登陆器应用的一系列基于机器视觉理念的敏感器将在此一阶段发挥作用,它可对着陆区域建立网格化视觉数据库,尔后快速识别选定着陆点。
姿控发动机将根据上述信息精准控制着陆器缓速下降着陆,最终在距离火面2到4米处关闭主减速发动机,剩余着陆能量由着陆腿吸收,进而完成火星登陆行动。
图片天问一号着陆器缓速下降测试
我们可以看到火星登陆任务中应用的大多数技术基本都是我国航天的货架产品,唯一没有经验的其实还是遥远距离条件下的火星近火捕获,而依托嫦娥探月工程建设的覆盖全球的深空测控网也化解了这一难题。
再来看天问一号火星车,该车最大行驶速度200米/时,导航速度40米/时,爬坡角度30°,这三大数据均与NASA毅力号保持一致,大幅度超越了勇气号与机遇号,仅在越障高度一项数据弱于毅力号。
同时天问一号火星车还创新了基于主动悬架设计的蠕动、蟹行功能,机动能力更具优势,遇到松软沙地,或者陷入其他行驶困境,可以通过升降车体、抬轮等操作脱困。
图片天问一号火星车地面测试
天问一号火星车态势信息感知与科学探测能力同样出色,周身携带有8台光学设备,导航地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪六大科学载荷可对巡视区进行包括火星表面形貌、地质构造特征、物质类型分布、火面表层次表层地质分层、火面化学元素组成、矿物、岩石种类、火星磁场、火星气象、火星声音等任务目标展开详细探测。
天问一号火星车重240公斤,其规模虽然不及毅力号的1000公斤,但却超越了勇气号与机遇号。正如前文所说,我国首次独立实施的火星探测任务主要是为了验证绕落巡能力,有了这个基础,后续就可以有更大规模的探测,主要取决于需求。
图片天问一号火星车地面行驶测试
比如天问一号探测器发射质量达到了5吨,而毅力号则是4.1吨,也就是说长征五号完全有能力发射规模超越毅力号的火星车,有了天问一号环绕器获取的火星全球遥感数据,直接再入火星大气的登陆技术也不存在无法逾越的瓶颈。
通过梳理不难得知NASA为什么如此上心我国首次独立探火任务,因为天问一号保障成功的条件非常完备,而以此为开端大洋彼岸垄断火星探测的时代也必将终结。
图片天问一号是当今世界最大吨位火星探测器
NASA索要天问一号轨道数据的戏码其实并不新鲜,去年我们进行嫦娥五号月球采样任务时,他们就公开喊话,希望我们和全球科学界分享嫦娥探月工程获得的成果,帮助全人类加深对月球的了解,就像阿波罗计划和阿尔忒弥斯计划那样。
图片NASA公开向我方喊话
这是在教我们做事?他们大概是忘了《沃尔夫条款》,该条款于2011年推出,目的旨在彻底切断两家航天交流合作,那一年我国航天首次进入两位数高密度发射期,载人航天工程也取得了神舟五号、神舟六号、神舟七号三次载人任务的连战连捷。
他们大概也不知道我们的两弹一星精神,纵观我国航天事业发展史就是一部自力更生的奋斗史。不带我玩,那就另起炉灶。
除了沃尔夫条款,大洋彼岸对我航天事业的阻挠可以说无所不用其极,甚至要求所有应用他们技术的他国航天器不得由我们发射。他们用一次又一次的生动实践告诫我们,这个世界终究是要靠实力说话。
图片发射天问一号的长征五号遥四火箭
天问一号就是靠实力说话的经典案例,发射该探测器的长征五号遥四火箭整流罩上画满了来自世界各地的合作方,火星车激光诱导击穿光谱仪、环绕器磁力仪均由外方提供,这些载荷并不是我们不能造,而是通过天问一号任务搭建一个合作平台,实现互利共赢,这是另起炉灶的重要手段。
基于多方合作模式进行航天探索更是NASA最擅长的手段,他们的经典案例就是国际空间站,这是一个由20个国家联合实施的大型空间基础设施。
图片“国际空间站”
这个所谓的国际空间站实际上却是壁垒森严,与之对比即将升空的天宫空间站给出了新方案。
2018年5月载人航天工程办公室与联合国外层空间事物办公室联合发布天宫空间站合作机会公告,经过双方共同成立的项目评估选拔委员会及国际评审专家组连续两轮审议,17个国家的23个机构的9个项目通过评审。联合国外层空间事务办公室主任西莫内塔·迪皮波对此赞扬道,天宫空间站开放是一个“伟大范例”。
图片天宫空间站核心舱
为什么说是伟大范例呢?天宫空间站首先是我们的国家级太空实验室,是在我方主导管理下的开放,我们免费提供上行发射下行运输与空间站搭载服务,与此同时所有合作项目均需双向透明,并向我方共享所有科研成果,如此一来就能使得所有参与方聚焦真正的科研问题,进而促使科研产出最大化,彻底消除“国际空间站”壁垒森严的先天缺陷。
天宫空间站合作机会公告是面向联合国所有会员国,当然也包括大洋彼岸,在第一轮项目评审中也的确遇到了他们的项目,但最终没有选上,这是为什么呢?
载人航天工程总师周建平指出,我是国际评审组的组长,两轮评审都是我主持的,我们完全就是从科学价值,从技术的考量来评审的,项目我们认为没达到我们要求的标准。
图片我们一贯尊重科学
这真的是有些凡尔赛文学了,生动诠释了什么叫做“三十年河东,三十年河西”。