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搭载“萤火一号”俄探测器未如期变轨

北京日报

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11月9日,在哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场,搭载有中国首颗火星探测器“萤火一号”的“福布斯-土壤”探测器搭乘俄“天顶-2SB”运载火箭发射升空。新华社/法新
哈勃太空望远镜所见的火星。

俄罗斯联邦航天署署长波波夫金9日在位于哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场说,当日发射升空的“福布斯-土壤”探测器及其所搭载的中国首颗火星探测器“萤火一号”在飞行过程中出现意外,它们未能按计划实现变轨。不过,他强调俄航天部门应该还有3天时间对探测器的飞行状态进行调整。

主发动机没有启动

俄塔社援引波波夫金的话说,“福布斯-土壤”探测器目前仍然处于近地轨道,其主发动机一直没有启动,燃料箱也没有与探测器脱离。

波波夫金说:“这对我们来说是一个艰难的夜晚。因为(在分离后)我们观测不到这个航天器。”“现在我们查明是探测器的引擎未能启动。”

“这是一个复杂的轨道,机载电脑未能对引擎发出‘启动’的指令。”

波波夫金说,导致出现意外情况的原因显然在探测器的控制系统。

如果失败影响不大

波波夫金指出,计划开始前对各种意外情况都有设想,其中包括推进装置点火失败导致变轨不能完成的情况,并制定了相应的处理预案。他强调,在接下来的三昼夜时间里,专家们仍有机会对探测器的状态进行调整。他还表示,俄航天署将在一天内公布相关情况的所有细节。

中国空间技术研究专家庞之浩认为,出现意外不是火箭问题,火箭已经按照计划把探测器送入了地球轨道。探测器变轨是靠“福布斯-土壤”这个大探测器来进行,发动机点火失效是俄罗斯探测器本身出现了故障,如果是软件问题就有可能通过地面发射、遥测、遥控指令挽回,如果是发动机本身硬件出现问题挽回的可能性就很小。从目前情况来看,控制系统可能出现了问题,如果只是控制系统出现问题很可能就是软件的问题,所以俄罗斯准备再试一下,尤其是在探测器运行到俄罗斯的测控系统范围之内时再试验几次。

庞之浩指出,如果这次探测失败了,我国探测火星的计划肯定会受到一些影响,但影响不是特别大,因为这次探测本身就是一次探索,而且探测器也很小,成本不是非常高昂。

清华大学航空航天学院副院长李俊峰此前也表示,此次发射“萤火一号”,技术验证或者说实验的成分更多一些,以便积累相关经验,为以后独立开展火星等行星的深空探测工作夯实基础。

昨日凌晨发射升空

搭载有中国首颗火星探测器“萤火一号”的“福布斯-土壤”探测器于北京时间9日4时16分在拜科努尔发射场搭乘俄运载火箭发射升空。688秒后,“福布斯-土壤”探测器与俄“天顶-2SB”运载火箭的第二级脱离。按计划,安装在“福布斯-土壤”探测器上的主发动机将在此后启动,并通过多次点火将两个探测器送入飞往火星的轨道,全部飞行过程将历时300天左右。

据介绍,该探测火星计划是中俄两国政府间合作项目。“萤火一号”由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院抓总研制,携带等离子体探测包、磁强计、掩星接收机、光学成像仪等四种探测仪器。“萤火一号”搭载进入环绕火星轨道与“福布斯-土壤”探测器分离后,双方将配合开展掩星探测试验。

四大任务与众不同

“萤火一号”将对火星进行为期一年的在轨探测,国际宇航科学院院士朱毅麟介绍其主要科学探测任务是:一、探测火星的空间磁场、电离层和粒子分布变化规律;二、测量火星表面物质的情况,它里面含有什么矿物质以及矿物质分布的情况;三、测量火星的地形地貌,特别是测量火星的气候变化;四、探测火星赤道附近的重力场。

航天专家认为,尽管其他国家已向火星发射过约20个探测器,然而寻找水和生命痕迹及探究火星表面物理化学特性是这些航天器的探测重点。与之不同的是,“萤火一号”将重点探测火星高层大气和电离层等空间环境。这不但对揭示火星演化史十分重要,而且还为中国下一步进行深空探测打下基础。此外,为实现观测火星地形地貌和沙尘暴活动、研究火星重力场的考察目的,“萤火一号”选择了距火星最近800千米、最远8万千米的大椭圆轨道,这一“路径”也有别于其他国家常用的火星极地轨道。

有望明年自己发射

庞之浩介绍,这个项目是中俄2007年签署的,原定2009年发射,但是由于俄罗斯方面技术上出现了一些问题,推迟到今年发射。火星发射是26个月有一个发射窗口,2009年发射不了,就得等到2011年发射。

所谓发射窗口实际上就是指火星与地球之间距离较近的时刻。有媒体报道称,俄罗斯航天机构没有足够时间对所有组件进行最终测试。但凤凰卫视驻俄罗斯记者卢宇光认为,俄罗斯没有想好用什么火箭发射也是可能原因。

卢宇光说,俄罗斯方面认为发射的成功概率没有达到像联盟号火箭发射那样将近40多年的安全系数。俄罗斯航空航天器探测器在今年发射俄罗斯导航卫星“格兰纳夫”时,有两次失败了,所以选择联盟号还是别的火箭发射器,其实是俄罗斯科学界学术上的问题。

庞之浩说,一般的火星探测器研制周期是五年,而我国只用了23个月,时间很紧,另外资金也有限,没有经验。测控方面我国还没有深空测控网,所以这次通过“借船出海”的方式,一个是积累火星探测的经验,二是研究这方面的技术,为以后独立的火星探测奠定基础。我国现在正在加紧研制“深空网”,准备在2013年用自己的火箭、自己的“深空网”,发射和运行自己的火星探测器。

中国空间技术研究院空间科学与深空探测首席专家叶培建也表示,我国可能在2013年进行首次火星探测项目。叶培建透露,设想的独立自主探测火星的基本方案是:充分继承“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的技术,充分利用探月工程所建立的基本条件;大胆创新,在火星探测上要有中国特色,争取获得新的成果。

专家解读

“合进分击”有益各方

北京时间9日凌晨,联合考察火星及其卫星的中俄探测器升空远行。“在此次合作中,中国和俄罗斯各有特殊探测使命,其考察结果将为火星演化研究和载人登陆提供重要信息,未来中国的火星探测将继续沿‘绕、落、回’路线图实施”,中国空间技术研究专家庞之浩在点评此次联合考察时表达了这样的观点。

中国“萤火一号”探测器的主要使命是考察火星的空间环境,探测火星高层大气和火星电离层等,对揭示火星演化史、未来着陆和考察十分重要。“萤火一号”的另一个重要任务是考察火星磁场。庞之浩指出,火星磁场的保护作用比地球磁场弱,在太阳耀斑爆发时,大量高能粒子会轰击火星表面,未来如果宇航员在这种环境下登上火星会有巨大危险,所以现在要考察火星空间环境,积累知识。此外,“萤火一号”还将观测火星地形地貌和沙尘暴活动,研究火星重力场。

俄罗斯的“福布斯-土壤”探测器志在火星的卫星——火卫一。据俄航天署公布的消息,总质量达13.5吨的俄“福布斯-土壤”探测器将环绕火星轨道飞行数月,并进行一系列探测。随后,其着陆舱将在火卫一上选择适合地点并着陆。着陆舱上的两个机械臂将在火卫一表面收集质量约200克的土壤并将其放置于返回舱内。随后,“福布斯-土壤”的返回舱将带着这些样品离开火卫一,并用10至11个月的时间重返地球。而探测器上的其他星载仪器将继续对火星的气候和轨道空间进行长期探测。

庞之浩指出,俄罗斯之所以选中火卫一,是因为了解火卫一的历史及其表面土壤的物理化学特性,有助于揭示太阳系类似卫星系统的起源,便于研究火卫一与火星的关系和火星环境的物理状况。

迄今人类尚未实现在火星及其卫星表面取样返回。庞之浩认为,俄此次实施火卫一土壤采样返回,实属“跨越性探测”。火卫一的平均直径只有约22公里,无论是进入这个小天体的运行轨道还是安全着陆,难度都非常大。

如果“萤火一号”和“福布斯-土壤”两颗探测器能够顺利进入预定轨道,人类将首次实现利用处于不同位置的两个航天器来同时对火星电离层和磁场进行研究。

庞之浩介绍说,除搭载“萤火一号”外,俄探测器还携有一个美国生物舱,内有来自地球北极的土壤和10种微生物。在火卫一表面停留一段时间后,“福布斯-土壤”探测器将携这些实验品返回地球,供专家研究长期宇宙“生活”对它们的影响。此外,俄探测器还将向火星施放2个芬兰的“气象网”着陆器,以备将来在火星上建立气象观测网,研究火星气候、气象状态以及大气的结构和物理性质。

各方之所以用上述方式同赴火星是因为如此合作对各方都有益。庞之浩解释说,对于初试身手考察火星的国家来说,“借船出海”可节省资金、借鉴他国成熟经验、获得其深空测控网的帮助。从俄方来看,“同船远航”可充分利用其运载火箭和探测器的搭载余量,获得额外的科学数据和经济效益。

按计划,中国将力争在2013年用自己的运载火箭和深空测控网,发射、运行中国火星探测器。据庞之浩介绍,中国火星探测的总体路线图与探月一样,分“绕、落、回”三步实施,中国火星车终将在火星荒原上驰骋,取样返回探测器将把火星“历史”带到我们眼前。这一“三步走”进程同样被美国、俄罗斯、欧洲航天局、日本、印度等国采用,但其目前实施阶段和侧重点各不相同。

资料

“萤火一号”

因为呈红色,且充满变化,火星在古代被称为“荧惑”,即“荧荧火光,离离乱惑。”“萤火一号”取其谐音,由此得名。“萤火一号”探测器相当于一个电视机大小,长、宽各约75厘米,高60厘米,跟“嫦娥一号”长得很相似,但是个头小了许多,其质量约115公斤,算得上是火星探测器家族中的“轻骑兵”。“萤火一号”的设计寿命为2年,到了轨道以后,围绕火星运行,它的轨道是椭圆形的。

“萤火一号”的两侧共有6块太阳能帆板,两侧太阳帆板展开近8米。如此小巧玲珑的身体上却长出三对大“翅膀”,是因为火星距离太阳太远,火星上太阳光照强度只有地球的一半左右,帆板要够大才能给机器提供充足的能量。

右图为“萤火一号”模型。

延伸

火星探测失败率极高

火星被航天界称为“航天器的墓地”,迄今,人类总共向火星发射了约40颗探测器,其中超过60%折戟沉沙,而载人火星飞行更是一次也没有过。

地球和火星间的浩瀚空间一直都是航天器的梦魇,仿佛这里有一个人们看不见的“恶魔”,它吞噬着太空飞船,然后将飞船的残骸“吐”到寒冷而黑暗的空间。

为什么探测火星失败率这么高?专家解释,和月球与地球相隔38万公里相比,火星算得上“疏远”了:火星和地球的最近距离约为5500万公里,最远距离则超过4亿公里。两者之间的近距离接触大约每15年出现一次。

而且,由于火星气压低,当太阳甫照地表时,大气便能快速增加动能,风速大,加上低重力,易形成强烈的风,卷起的狂沙形成尘暴,从太空可看到一片褐色尘云旋转、移动。甚至可能发展成全球性尘暴,将整个星球笼罩在尘雾之下。

“萤火一号”面临三大考验

即使“萤火一号”成功进入火星轨道,仍将面临跟组合系统分离后如何开展深空测控和通信的更大难题。

专家坦言,“萤火一号”在技术上最大的挑战是“小”。受发射重量限制,“萤火一号”之轻,在人类历史上也属罕见。载荷小,距离远,任务重,“萤火一号”的火星征程可谓荆棘遍布。

挑战之一来自于7个长达8.8个小时的火星阴影,在此期间探测器将得不到来自太阳的能量,只能让部分部件进入休眠状态,届时周围环境温度低于零下200℃,“萤火一号”随时面临“冻死”的危险;其次,超远距离会带来信号衰减和传输延时等困难,更何况我国还没有覆盖全球的深空探测网,仍需俄罗斯和欧洲航天局的地面站帮忙分时段接收信号,但即使3个地面站联合起来,也只能下载“萤火一号”获取的5%到10%的数据;此外就是多星定向的问题,即往地球传送数据时要对地球定向、拍摄火星时仪器要对火星定向、太阳能帆板还要随时对太阳定向……这对探测器的姿态控制来说是一个不小的难关。

背景

火星探测回眸

在所有的大行星中,火星和地球是最相似的:火星也有四季变化;火星的自转周期(24小时39分22.6689秒)几乎与地球(23小时56分4.09秒)一样;火星表面有水的迹象和火山迹象,与地球相似,火星是否存在生命一直是天文学家长期争议的论题。

上世纪六十年代开始,美国和前苏联率先开展了对火星的探测,先后发射30多颗火星探测器。

1962年11月,前苏联发射的“火星1号”探测器在飞离地球1亿公里时与地面失去联系,它被看作是火星探测的开端。

1965年7月,美国“水手4号”探测器飞近火星,从距火星1万公里处拍摄21幅照片,发现火星上存在大量环形山,大气密度只有地球的1%。

1971年5月,前苏联发射“火星3号”探测器。12月,其施放的着陆器由于遭遇火星沙尘暴,在开始照相扫描22秒后与地球失去联系。

1975年8月,美国“海盗1号”升空,其于次年7月释放的着陆器顺利落至火星表面,向地面传回彩色照片。

1996年12月,美国“火星探路者”号发射。次年7月,其所携着陆器顺利落至火星,施放出“旅居者”号火星车,实现漫游考察并发现远古水痕。

1998年7月,日本“希望”号探测器飞赴火星,但此后故障不断。2003年12月,日本宣布这次火星探测任务失败。

2001年4月,美国发射“奥德赛”探测器。次年,该探测器发现火星表层可能富含冰冻水。

2003年,美国“勇气”号和“机遇”号火星车分别于6月和7月发射升空。它们都成功登上火星,对火星岩石和地貌开展长达七八年的漫游考察。

2003年6月,欧洲航天局“火星快车”探测器升空。12月,其施放的“猎兔犬2”号着陆器在登上火星后无法与地球联系。但“火星快车”运行良好,至今仍在探测。

2005年8月,美国“火星勘测轨道飞行器”升空,其所携探测仪的数量、探测精度和数据传输能力均创下当时历史纪录,其探测活动已持续到2011年。

2007年8月,美国“凤凰”号探测器启程,次年5月在火星北极着陆。探测器考察两月后,科学家确认“凤凰”号在加热火星土壤样本时发现水蒸气,为火星有水找到证据。

2011年11月9日,中国“萤火一号”探测器与俄罗斯“福布斯-土壤”探测器一同升空。(本报综合报道)

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