2017年,阿根廷深空空间站成功建成并正式投入使用,用于中阿两国开发利用外层空间。这里的地理位置与中国沿地球中心大致对称,可为“天问一号”在西半球和南半球的跟踪提供支持。此外,与“毅力号”一样,“天问一号”任务也与欧洲航天局深空跟踪网络合作;而西班牙、澳大利亚等地的ESA监测站参与了信号的中继和传输,中国深空探测网的发展为火星探测任务奠定了坚实的基础。
重型火箭发射和卫星轨道控制能力
一个国家要想实现火星探测器的探测,重型火箭和卫星的先进轨道控制、姿态调整能力是必不可少的。作为世界上第一个一次完成轨道、着陆和巡逻任务的火星探测器,“天问一号”是一个总重量为5吨的巨型探测器,大约是美国“毅力号”的4.9倍。将这样一个两卡车重的探测器发射到火星轨道所需要的火箭推力是非凡的,在世界上正在使用的火箭中,只有3枚火箭具有5吨以上的地-火转移能力。它们分别是NASA的“德尔塔4号”重型火箭、SpaceX的 “猎鹰号”重型火箭和中国的“长征五号”火箭。
“长征五号”是我国首个从整体到子系统采用最新技术的大型液氧、氢、煤油系列运载火箭。它是我国研制的规模最大、技术跨度最大的航天运输系统工程,与以往的长征系列火箭相比,新技术占比达到了95%以上。同时,它是目前我国起飞质量最大、核心级直径最大、现役运载能力最强的火箭,近地轨道有效载荷25吨,居世界第三位。它的地火转移能力为6吨,满足“天问一号”的任务要求。2020年7月23日,搭载“天问一号”探测器的“长征五号”火箭在海南文昌发射场发射。这是“长征五号”火箭第4次成功发射,也是长征系列运载火箭第219次发射成功。
近年来,我国的火箭发射活动数量大、有效载荷高、成功率高,为火星探测器任务奠定了坚实的基础。从火箭发射数据来看,过去两年,我国每年火箭发射数量保持在40次左右,与美国基本持平。每年都在进行大量大型遥感卫星、北斗导航卫星、气象卫星、农业普查卫星等空间基础设施建设。可以说,中国航天工业经过几十年的技术发展,运载火箭技术和卫星轨道控制技术已经很成熟。
在中国国家航空航天局的任务中,“嫦娥探月”工程是深空探测的先驱项目,为火星探测铺平了道路。从2007年发射“嫦娥一号”到2020年完成“嫦娥五号”月球土壤返回任务,13年来,中国航天器深空轨道控制和可操作性得到了良好的测试。通过将“嫦娥”项目获得的姿态和轨道控制经验应用到火星探测器任务中,可以想象,火星探测器轨道控制不是中国航天的主要挑战。在2020年和2021年“天问一号”的几次轨道调整中,我们可以看到探测器的每一次轨道机动都是准确的。
由于轨道精度高,原定于2021年2月12日进行的轨道中途修正甚至被取消了。2月15日,对轨道进行了直接调整,在远地点进行了90度直角转弯,从围绕火星的水平轨道转向垂直轨道,探测器进入火星极地轨道,以实现对火星表面的最佳轨道覆盖。事实上,作为整个探测器行程中相对简单的一部分,冷战后,除美国和俄罗斯外的许多国家也试图向火星发射轨道器,包括几架欧洲航天局的探测器,印度“曼加里安号”、阿联酋“希望号”都成功地与国际深空探测网合作,为人类探索火星做出了重要贡献。
探测器着陆
与绕火星轨道运行相比,火星任务最具挑战性的方面是探测器的软着陆。