我國計劃2030年前火星采樣返回,美國還沒做到,我國有望突破嗎?

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國傢航天局副局長吳艷華在采訪中,透露瞭諸多我國下一步的航天計劃,其中就包括天問三號任務。

我國天問一號已經成功登陸火星,一次任務完成瞭“繞、落、巡”,創下瞭我國多項記錄:

首次實現地火轉移軌道探測器發射首次實現行星際飛行首次實現地外行星軟著陸首次實現地外行星表面巡視探測首次實現4億公裡距離的測控通信首次獲取第一手的火星科學數據

天問一號之後,我國還有天問二號、三號、四號等,其中天問二號是從小行星取樣返回,天問三號是從火星取樣返回,天問四號是去木星系。

據介紹,我國行星探測工程將在未來10-15年內完成,其中火星采樣返回任務計劃在2030年之前實施。

要知道的是,從火星取樣返回難度非常大,現如今還沒有國傢做到這一點,即便是航天強國美國,也沒能將火星的土壤帶回地球。

那麼問題來瞭,從火星采樣返回,究竟難在哪裡?美國還沒做到,我國有望突破嗎?

火星采樣返回,難在哪裡?

人類早在上個世紀就已經實現載人登月,也從月球上帶回瞭月壤和月巖,但事到如今,從火星上采樣返回仍舊沒有一個國傢可以做到,可想而知它的難度有多高。

火星采樣返回的第一難,是需要大推力的火箭。

火箭是發射任務能否成功的關鍵,然而火星距離地球最遠達到瞭4億公裡,最近也有5500萬公裡,因為地球和火星距離並不恒定,所以並不是所有的時間都可以發射探測器,而是需要等待“發射窗口”,好在火星探測器的發射窗口每隔26個月就會出現一次。

有瞭發射窗口,並不意味著能發射成功,還需要一款大推力的火箭。我國探月工程總設計師 吳偉仁:

“我想我們首先要解決大推力的運載火箭,實現火星采樣,當然後續我們還準備進行木星或者太陽系的其他行星的穿越探測。”

如果我國采用一次發射就完成火星采樣返回任務,那麼我國的長征五號火箭雖然推力已經很大,但它也難以完成任務,能夠勝任一次發射,就能夠完成火星采樣返回任務的火箭,應該是我國目前正在研發的長征九號運載火箭。

火星采樣返回的第二難,如何應對火星黑色7分鐘。

登陸火星,必須要面對火星“黑色七分鐘”,歷史上許多探測器都是在火星黑色7分鐘內墜毀。而我國天問一號已經成功實現軟著陸。

火星黑色七分鐘之所以如此恐怖,是因為探測器必須要以合適的角度切入火星大氣層,角度太小就會像打水漂一樣沒能進入火星,角度太大又會導致探測器在下降過程中因為被大氣層過度加熱而燒毀。

探測器在下降的過程中,速度要從每小時2萬千米,下降到0,實現軟著陸。否則探測器就會被墜毀,而火星大氣層比較稀薄,對降落傘和降落技術要求都比地球上要高。

更重要的是,火星距離地球較遠,通訊存在著20多分鐘的誤差,也就是說地球上的工作人員無法時時刻刻修正探測器參數,隻能祈禱它能平安著陸,其餘能做的有限。

火星采樣返回的第二難,是如何克服火星的引力。

當物體的速度達到第一宇宙速度時,能夠像衛星一樣圍繞著該星球運轉,而不會“掉下來”。

當物體的速度達到第二宇宙速度時,才能夠擺脫該星球的引力,所以第二宇宙速度又叫做“逃逸速度”。

飛行器想要采樣返回,速度就必須要達到第二宇宙速度以上,不同星球的第二宇宙速度不同,其中火星的第二宇宙速度為5.0千米每秒。

目前主流的方案是,火星巖石樣本會隨著上升器一起上升,然後與環火軌道上的軌道器交會對接,之後軌道器攜帶樣本進入到地火轉移軌道,最後返回地球。

中國和美國火星采樣返回

火星采樣返回任務的方案有很多種,按照發射計劃和任務來看,又分為一元、二元、三元結構方案。

其中一元結構方案是軌道器和著陸器一起發射,之後著陸器的上升級再從火星上返回,任務方案有些類似於月球采樣返回。

二元結構是軌道器和著陸器分別發射,著陸器上升組合體從地球出發後,直接發射到地火轉移軌道,在靠近火星大氣時,實現巡航級分離,著陸系統攜帶火星車在火星實現軟著陸,完成采樣任務後,著陸器的上升器點火上升,再和軌道器交接,轉移樣品,軌道器再攜帶樣品返回地球。

三元結構就是在地球上發射三次,第一次發射取樣裝置;第二次發射軌道返回組合體,第三次發射著陸上升組合體。

該任務比較復雜,需要發射三次,耗時大約需要9年。

美國火星采樣返回任務,采用瞭三元結構,這是因為三元結構方案具有很大的優勢和較高的可行性,但缺點是耗時較長,任務比較復雜。

美國三元結構中,已經實施瞭第一次發射,取樣裝置“毅力號火星車”已經在火星表面上行動,采集可能與微生物接觸或者被微生物改變的巖石和土壤樣本。

2026年將從地球上發射兩次,分別發射火星攜帶樣品采集火星車的返回著陸器和返回地球軌道器。其中返回著陸器著陸火星,返回地球軌道器停留在環火軌道上。

2028年,實施火星發射,將樣本裝到一個小火箭上,火箭從火星上發射升空,把樣本容器放在火星軌道上。

歐空局的地球返回軌道器將在火星軌道上與攜帶樣本的飛行器交匯對接,然後將樣本轉移到地球返回軌道器上,地球返回軌道器將再攜帶著樣本帶回地球。

預計地球返回軌道器將最早要在2031年返回地球,並著陸。

美國火星采樣返回任務似乎領先我國。隻是,三元結構任務耗時較長,需要9年時間。而且此次任務是美國NASA和歐空局合作的項目。

而歐空局關於火星探測,是出瞭名的“拖延”。原本應該在2009年發射的ExoMars,到瞭現如今仍舊沒有發射,而且因為和俄羅斯關系變僵,預計今年火星發射窗口,歐空局的ExoMars發射計劃又將推遲。

所以美國火星采樣返回任務,能否在2031年完成,還存在著較大的不確定性。

那我國會采取什麼樣的發射方式呢?

目前暫時還沒有公佈天問三號詳細的任務時間表,暫時還不知道我國將會采取那種策略來實現火星采樣返回。

如果是在2030年完成火星采樣返回任務,那麼采取一元結構和二元結構的可能性較大;如果2030年之後完成火星采樣返回任務,那麼也不排除三元結構的可能性。

從任務進行程度來看,美國已經成功發射瞭一次,後續需要再發射兩次,如果順利的話,將會在2031年完成火星采樣返回。我國目前火星采樣返回任務還沒有發射,從時間上來看,美國領先我們一步。

不過,我國的火星采樣返回任務並不是與美國一較高低,更不是為瞭爭霸,而是有序推進我國航天計劃,探測外星球環境,解開宇宙奧秘,為發展深空探測奠定基礎。

更重要的是,我國航天技術都是自主研發,雖然走得慢,但不會被國外卡脖子。

而且在航天項目上,我國往往是不出手則已,一出手就拿出亮眼的成績,接下來就請期待天問二號、天問三號、天問四號,以及其他航天項目的表現。

#火星##美國##中國#

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  • 本文由 发表于 2022年4月27日
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