天问一号的探火之旅
作者 薛炳森 韩大洋
发表于 2020年6月

“前所未有”的出征仪式

天问一号的座驾是长征五号遥四火箭。2020年1月19日,火箭的氢氧发动机完成了总装出厂前的最后一项验证——100秒校准试车,这标志着这台发动机性能达到了预定要求,能够肩负托举起天问一号的任务。

探索火星的天问一号与到访月球的“嫦娥”不同,探月轨道是一个微缩的天问之路,依靠火箭的推力,将嫦娥探测器推送进入一个大椭圆形的卫星轨道,其远地点与地球的距离就是月球轨道的半径,当以预定速度到达这个位置后,探测器就会被月球引力所捕获。不难看出,到月球的路途可比去火星的近多了,轨道的设计不是很复杂,途中需要探测器做的机动动作也较少。

嫦娥探月轨道

但是天问一号任务的难度可就大多了。首先速度要够快,因此专门给它配备了长征五号运载火箭,帮助它将飞行速度提升至超过第二宇宙速度(11.2千米/秒),这个速度下运动的物体足以逃脱地球的引力,升格成为“人造行星”,也就是不再围着地球转了,而是和地球一样成为太阳的“跟班儿”。这时的天问一号遵从开普勒定律的“引导”,沿着环太阳的椭圆轨道运行。但如果你以为就这样一直飞行就能到达火星可就未免太低估它了,打个比方会更加明了。法国巴黎距离日本东京大约9800千米,从巴黎埃菲尔铁塔上挥杆击球,这个球要不偏不斜的直接掉落到东京铁塔上的球洞里,这就是此次火星任务的难度“级别”了。除此之外,天问一号还要带够燃料以便应付到达火星附近时的操作,所以,它的重量将超过嫦娥探测器数倍。也正是因为这个原因,再加上目前中国最强运载火箭长征五号的推力也显得不太富裕,所以必须精打细算,盘算着每一次机动动作在哪里做,在什么角度位置时点火,这些都要精确瞄准、拿捏力道,同时,挥杆的一刻要果断。尽管计划的如此周全,但从地面直接发射之后,包括大气层的扰动、火箭的晃动等,都会给飞船的出发精度带来更多不可控性,可谓风险依旧。

为了能够达到近乎苛刻的出发精度参数要求(包括角度、速度),火箭和飞船要首先进入200千米左右的赤道圆轨道,在这里,火箭需要通过不断地微调,等待着最佳的二次点火出发角度,这就需要一个绕地球旋转2~3周的调整窗口,与此同时,火箭也在“调整”着它的状态,因为长征五号采用的是液氢液氧发动机,而液氢需要足够的低温才更有利于发动机工作,大气层外轨道上的低温为此提供了条件。

本文刊登于《知识就是力量》2020年7期
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