這下輪到NASA傻眼瞭:中國火星采樣返回,比NASA-ESA計劃提前兩年

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日前在南京大學的一次研討會上,中國火星任務天問一號項目負責人孫澤洲報告瞭中國火星樣本返回任務,其任務指向為2031年7月返回。

如果各位熟悉NASA-ESA的采樣返回計劃的話,那麼一定會發現中國的火星采樣返回,整整比NASA提早瞭2年,後發先至,這下輪到NASA傻眼瞭!

火星采樣返回計劃;

從天問一號總設計師孫澤洲在南京大學的研討會上公佈的數據,執行火星采樣返回任務計劃的結構與嫦娥5號飛船相似!

火星版嫦娥五號?

探測器主要由兩個組成部分,分別是軌返組合體和著上組合體:

1、軌返組合體包括軌道器和返回器;2、著上組合體包括著陸器和上升器,著陸器包括巡航級和進入艙;

工作過程為兩個組合體分別由兩枚長征五號火箭將軌返組合體和著上組合體送至火星軌道,然後著上組合體著陸火星,完成采樣後再從火星表面起飛,與軌返組合體完成樣品轉移後返回地球。

這個方式看起來是不是非常熟悉?沒錯,與由軌道器、返回器、上升器和著陸器組成的嫦娥五號非常相似,組合體的采樣工作過程是長征五號將組合體送至月球軌道,上升器和著陸器組合體抵達月面采樣後,上升器起飛返回月球軌道與軌道器完成樣品轉移後返回地球。

為什麼要用兩枚長征五號火箭?

原因很簡單,因為一枚運力不夠!火星采樣返回,人類將第一次采集到太陽系另一顆行星上的巖石,和月球的近距離和小行星的微弱重力環境不一樣,火星采樣返回難度極大,最大的差別就是距離,火星最近時也有5500萬千米,而最遠則超過4億千米。

而最難的就是采樣後從火星表面起飛進入火星軌道,這也是人類第一次從一顆有大氣層的天體上返回,所以這個計劃就比月球采樣返回的難度要高一個數量級。

因此這次火星采樣返回攜帶的燃料將是史無前例的,因為它需要從上億千米外的有著與地球類似重力環境下返回,因此組合體的重量將大大超過一枚長征五號的運力,此前曾計劃用一枚長征9號來實現。

但這個計劃同樣有備份版,而這個備份版就是一枚CZ-5B+CZ-3BG2火箭,這兩種火箭都是成熟且經過多次發射考驗的版本,對於火星采樣返回穩妥一定是第一位的。

天問一號:將為采樣返回探路

從孫澤洲總設計師公佈的計劃包含瞭比較詳細的步驟,包括深空機動、制動捕獲和氣動輔助變軌等等,如下圖:

其中有一個“氣動輔助變軌”大傢從未見過,火星有一個稀薄的大氣層,這是它和月球最不一樣的地方,因此在降落時首先需要熱護盾穿過火星大氣層,避免高超音速激波加熱燒毀著陸組合體,末段還會使用降落傘減速,最終火箭反推軟著陸,再次從火星起飛時也會因此而增加阻力需要會火箭增加額外的燃料。

總師透露,“氣動輔助變軌”將會由天問一號率先驗證,孫澤洲表示,今年晚些時候天問一號的軌道器將會進行火星大氣層阻力剎車降軌實驗,為後續 Tianwen-3 火星采樣返回任務的軌道艙-返回艙組合體輔助氣動圓軌做技術驗證。

如果成功的話,未來將會節省大量減速燃料,因為在太空中減速將會完全由燃料反推進行,而在穿越火星大氣層時會有強大的阻力,剛好可以拿來給抵達火星軌道的兩個組合體減速。盡管這個計劃整體要到2028年才會實施,但最近我們就可以看到它的進展,等著聽到好消息。

早就開始的NASA-ESA計劃:為何會被中國反超?

這裡有一個讓NASA很是鬱悶的結果,早就開始NASA-ESA火星采樣返回的計劃,原本打算在2031年7月范圍,而中國火星采樣也是在2031年7月返回,兩傢都不約而同的指向瞭2031年,即使前後相差一兩天似乎也沒問題,畢竟從4億千米外的火星歸來,沒有人會在意多一天或者少一天!

但就在今年3月份,這計劃發生變化瞭!事情是這樣的:

2022年3月21日,NASA國傢航空暨太空總署的副行政長官Thomas Zurbuchen在美國國傢科學院空間研究委員會的演講中宣佈瞭一個消息:NASA和ESA考慮到目前執行的火星采樣返回計劃風險太大,將原本一個計劃內的任務分成瞭兩個計劃,因此任務將從2031年延遲到2033年完成。

原因是SRL計劃包括瞭樣本檢索和樣本發射兩個任務,包括一輛火星漫遊車(樣本檢索)和著陸上升器(發射火箭送樣本到火星軌道),結果NASA工程師發現這個打包在一起的體積太大瞭,需要一個直徑高達5.4米的熱防護罩才能保證安全降落到火星。

而此前從未有過如此尺寸的防護罩保護下穿透火星大氣層,盡管技術上沒有問題,但仍需大量技術驗證,而這次任務要求確保完成,這個計劃風險太大,因此拆分成瞭兩個任務,分別是SRL1和SRL2。

NASA-ESA的采樣返回計劃:你無法想象的復雜

NASA-ESA的火星采樣返回計劃的第一階段,其實在2020年7月30日就出發瞭,就是各位熟悉的毅力號,它的任務除瞭探測火星以外還要采集43管樣本,包括火星巖石、土壤以及大氣與氣溶膠樣本等。

當你以為這些樣本都存放在毅力號的某個地方時很抱歉你想錯瞭,它一路丟棄這些樣本,然後毅力號輕裝上陣去執行別的任務,然後任務中的SRL中有一臺火星漫遊車,將其一個個撿回來,再送到SRL任務中的火箭內,起飛到達火星軌道,上文中的SRL任務目前就拆分稱瞭SRL1和SRL2,全程如下:

1、樣本收集任務 (Perseverance);2、樣本檢索任務 (Sample Retrieval Lander 2 (SRL2) + fetch rover);3、樣本發射任務 (Sample Retrieval Lander 1 (SRL1) + 火星上升飛行器 + 機械臂)4、返回任務(地球返回軌道器ERO);

怎麼樣?是不是很讓人傻眼?盡管毅力號的采樣任務十分完美,但這個計劃實在太復雜瞭,因為在毅力號後還有三個不確定具體日期的任務,目前推遲到2033年,還是一切順利的狀態下的結果,更有最後一個ERO是拖沓出名的ESA需要完成的任務。

ESA有多拖沓,各位瞭解下ExoMars火星探測器任務就知道瞭,這個原本計劃在2009年完成的任務因故推遲到2016年,然後再推遲到2018年,再推遲到2022年,然而目前還遙遙無期,要是ERO任務也是這樣操作,估計這火星采樣任務到2050年還回不來,要真這樣的話這NASA直接就吐血而亡瞭。

原本NASA慢悠悠執行任務的原因是沒有人和他們競爭,但現在CNSA橫空出世,接連執行瞭嫦娥五號與天問一號任務,信心滿滿的CNSA接下來將會執行史無前例的火星采樣返回任務,時間就在2031年7月,這下NASA真是悔不當初,盡管登月第一的名頭足夠NASA光耀百年,但火星采樣返回,更有可能是未來的百年火星探測的起始,NASA或將在這次競賽中跌倒,未來CNSA將會替代NASA在全球深空探測中的位置?

至少種花傢非常希望是這樣的,畢竟我們的目標是星辰大海,而火星隻是第一步而已!

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  • 本文由 发表于 2022年6月21日
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