作者:崔平远 来源:中国科学报 发布时间:2021/2/24 9:31:05
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“嫦娥”回家 “天问”绕火:
开创中国深空探测新纪元

 

2月22 日上午,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在北京人民大会堂会见探月工程嫦娥五号任务参研参试人员代表并参观月球样品和探月工程成果展览。

2020年12月17日,“嫦娥五号”在经历了一系列精准操控和自主管控的 23 天地月旅行之后,以一种“半弹道跳跃式” 再入模式、打着水漂回到了地球,并顺利带回了月球土壤。这使我国成为世界上第三个在月球采样返回的国家,实现了中国深空探测活动的新突破,标志着探月工程“绕、落、回” 三步走规划的完美收官。

“嫦娥五号”作为“嫦娥”家族的“五姑娘”,是月球探测工程第三步“回”的首发星,是继美国和苏联后,成功实现地月往返的我国迄今为止复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程。

“嫦娥五号”在我国航天史册上创造了五个首次:在地外天体上首次采样与封装、首次点火起飞与精准入轨,在月球轨道上首次实现无人自动对接和样品转移,首次携带样品以近第二宇宙速度跳跃式再入大气层返回,并将首次建立我国月球样品的存储分析和研究系统。

至此,中国探月工程取得了“六战六捷”的赫赫战绩!2007年,“嫦娥一号”卫星成功发射,揭开了我国开展以月球探测为主的深空探测活动的序幕。2010 年,“嫦娥二号”探测器作为探月工程二期的先导星,首次实施了“一探三”的创新任务模式,对月球、日-地 L2 点和图塔蒂斯小行星实现了序列探测,“嫦娥二号”飞离地球距离突破 5000 万公里,刷新深空探测的“中国高度”。

2013年,肩负首次软着陆任务的“嫦娥三号”,在到达月球后,经过精准的测控变轨、动力下降、悬停侦查和自主避障等高难动作,成功降落在虹湾地区,实现了中国航天器首次在地外天体软着陆。

2014年,作为探月工程三期-“回”的探路星,“嫦娥五号” 再入返回飞行试验器-“舞娣”,成功实现了半弹道跳跃式-“打水漂”似的地球再入二次气动减速、剧烈热防护以及高速进入的制导控制等关键验证任务。

为充分发挥我国航天任务可靠性高的优势,作为“嫦娥三号”的姊妹星,“嫦娥四号”探测器于2018年开启了月背探测之旅。借助于“鹊桥”这个占据地月 L2 点优势位置的中继星, 于 2019 年成功实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察, 揭开了古老月背的神秘面纱,使人类首次在月球背面留下了足迹。

探月工程的“绕、落、回”是中国深空探测的第一步,显著推动了我国航天领域相关的一系列高精尖科学技术发展。 在任务实施过程中,科研人员坚守挑战就是机遇、创新永无止境的理念,砥砺前行、全力攻关,研制了变推力轨道发动机、空间同位素热/电源,建立了地面深空测控通信网,验证了包括远程测控通信、卫星中继通信、核热源能量控制、着陆位姿自主确定、全自主避障软着陆、半弹道跳跃式高速再入返回等一系列深空探测关键技术。

在无数航天人的共同努力与见证下,我国在实施探月工程的同时,建成具备了绕月探测、月球软着陆、月面巡视与原位探测、航天器再入返回、地月往返等令世人瞩目的深空探测能力。

太空探索永无止境!火星作为与地球最为相近且距离最近的地外行星,承载着人类无数的期待与幻想,是各航天大国争相前往探测的热门目标。2月10日,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器环绕火星成功,成为中国第一颗人造火星卫星,实现了“绕、着、巡”的首目标,将于5月至6月择机实施着陆火星并开展巡视探测。

“天问一号”火星探测工程将实现首次发射就同时实现“环绕、着陆、巡视”三项任务—即“绕、着、巡”一次完成的壮举,是人类火星探测史上的首次,工程的复杂程度和面临的技术挑战极其巨大。

不同于月球,火星南北半球差异显著,星表山峦起伏、坑丘棋布,而科学探索价值高的区域恰恰就隐藏在形貌复杂、难以着陆的高危之处。

火星大气稀薄(约为地球的1%)、稳定性差,星表常伴有突风与沙尘暴;同时火星表面引力约为地球的 38%,探测器下降着陆过程速度快、时间短,且与地球存在长达数十分钟的通信 时延,实现火星表面软着陆唯有“自主”、困难重重!

从进入火星大气层到着陆火星表面需要经历惊心动魄 的“恐怖7分钟”,即要求探测器在7分钟内完成近火空间的气动减速、伞降减速、动力减速以及着陆缓冲等任务。实现火星表面定点软着陆,对火星探测器总体技术、自主任务规划技术、高速大气进入减速技术、高精度自主导航技术、自主避障与制导控制技术、缓冲机构结构技术等提出了极高要求。

为此,国家“973”计划于“十二五”期间在综合交叉领域支持两个深空探测项目,针对火星表面复杂形貌时空表征与识别、多尺度信息优化自主导航、高速大气进入精确制导与控制、天文测角测速鲁棒状态估计等核心关键技术开展攻关, 为火星探测工程的立项与实施提供了关键技术支撑。

目前,我国深空探测的宏伟篇章正在有序展开,多项重量级任务蓄势待发。除了正在执行首次火星探测任务的“天问一号”,2030年前还规划有三次行星探测任务,即小行星取样返回和彗星探测、火星采样返回、木星系环绕探测和行星穿越探测。

其中,拟于2024年前后探测近地小行星 2016HO3并取样返回,同时对主带彗星 133P 开展绕飞探测。首次小行星探测任务的总体策略是“多目标、多任务、多功能、多阶段”,提高任务“性价比”,获取尽可能丰富的科学探测成果。

目前,“天问”正在实施火星之问,探月工程四期即将开启,“嫦娥七号”拟实现月球极区环境与资源勘查。面对“十四五”深空探测新征程,中国航天人将大力弘扬“追逐梦想、勇于探索、协同攻坚、合作共赢”的探月精神,在火星和小行星探测等重大工程的实施中,把中国的深空探测活动推向更高的水平、更远的星际空间,开创中国深空探测新纪元。

(作者系北京理工大学特聘教授、国际宇航科学院通讯院士、“深空 973”项目首席科学家)

 
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