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火星无法满足胃口!天问一号飞船发射在即,又添两款宇宙重器
日期:2020-4-28 8:39:10

  原创 巅峰高地 2020-04-27 18:07:21

  东方红一号人造卫星、神舟五号载人飞船、嫦娥一号绕月卫星是我国航天史上的三座里程碑,今年7月长征五号遥四运载火箭将在海南文昌发射场搭载天问一号火星飞船升空,此次发射是我国首个行星探测任务,成功后毫无疑问将成为中国航天的第四座里程碑。

  纵观我国各项重大航天工程都有一个鲜明特点,就是起步晚、起点高、速度快。俄罗斯航天局局长曾对嫦娥一号绕月卫星有如此感叹:我们用10年完成的工作,中国同行只用两三年就完成了。

  不仅嫦娥探月如此,载人航天、北斗导航、高分辨率对地观测等一系列工程皆是如此。例如,载人航天工程中我们只用11艘神舟飞船、1艘货运飞船、两座空间实验室就攻克了建造大型空间站所需的大部分技术,而美国实现这一目标的发射任务量是我们的两倍不止。如今正在快速推进的天宫空间站更是由最初的“一居小户型”演变为具有国际领先水平的“大三居”。

  我们之所以能够有如此迅猛的突破总结起来有三点原因:1.时间上的后发优势;2.全球配套最齐全工业链条;3.强大的国力。

  后发优势条件下一系列新技术得以应用,高效率推进工程突破,工业链条与强大国力支撑让我们有条件有能力去实现更高目标。

  天问一号火星飞船也是如此,通过一次发射即可实现绕、落、巡火星三大工程目标。以软着陆的国产火星车为例,该车体格比勇气号、机遇号更大,意味着越障能力、行驶速度等硬指标明显优于后者,同时进一步拓展了蠕动与蟹行功能,综合技术水平大幅度领先于勇气号与机遇号。

  以勇气号、机遇号发射部署时间计算,天问一号任务的成功实施将使我们一步跨过美国半世纪探火历程。

  一步跨过美国半世纪探火历程背后则是深空探测体系能力整体跃升,之前有不少人对印度发射曼加里安号绕火卫星,以及日本隼鸟系列小行星探测器耿耿于怀,事实上这两个项目如果没有美国深空测控网支持是不可能成行的项目。

  此前也有人以为我国迟迟不开展火星探测是因为火箭运力不够,而事实并非如此。长征三号乙火箭可以轻松发射3倍于印度曼加里安号的绕火卫星,通过两次发射同样可以实现天问一号火星飞船的发射任务。

  早在嫦娥二号任务时当时设计人员就想让这艘探测器飞往火星,但最终没能成行,原因不是火箭,而是因为当时深空测控网并没有做好准备。

  如今我们之所以敢于大手笔尝试难度最高的绕、落、巡火星任务的原因,就是我们已经建成仅次于美国位列世界第二的深空测控网。

  深空测控网最佳布站方案是每隔120度经度,纬度在南北纬30至45度之间。我国则充分利用国土东西跨度,在疆域西端的喀什以及东端的佳木斯兴建了两座深空测控站。

  喀什站有一座35米口径天线,佳木斯站则是64米大口径天线,测控距离可以触达火星。两座深空站在嫦娥二号任务时初步投入使用,这说明嫦娥二号团队当时想去火星的提法并非没有根据,只是因为两座深空站刚刚投入使用处于初期试验阶段,因此没有贸然选择火星。

  在后续嫦娥三号、四号任务中我们在阿根廷兴建的萨帕拉海外深空站也投入使用,与国内两座站点构成了我国的全球深空测控网,对深空航天器测控覆盖率达到了90%。

  近日,深空测控领域又传来了两则喜讯,首先是喀什深空站3座35米口径天线阵已经完成建设,正在进行最后的调试工作,再就是天津武清70米口径高性能接收天线GRAS-4完成了反射体整体吊装,这两处天线设施都将为天问一号火星飞船提供测控服务。

  GRAS-4高性能接收天线的落成同时也是“基建狂魔”实力的一次外溢,该天线为轮轨式全可动卡塞格伦天线,总重2700吨,相当于两艘056型护卫舰,主反射面直径70米,由16圈共1328块高精度实面板组成,面积堪比9个篮球场,天线工作在S、X、Ku频段。

  GRAS-4项目工期紧任务重,要求两年之内完成从设计到接收的全部流程,为了满足项目要求,承建方与天线研制方采取土建工程与天线研制同步进行方案。

  刚刚完成的反射体吊装重量就高达数百吨,可以说这个项目是“基建狂魔”与电子技术飞速跃升的融合体,按照计划GRAS-4型70米口径天线将于今年10月完全具备火星探测数据接收能力。

  为什么在我们已经具备火星测控能力之际还要兴建这两处天线设施?

  首先,喀什深空站原先只有一座35米口径天线,不论是天线接收信号的灵敏度,还是指令信号发射能力都不及佳木斯站64米口径天线,而新建的三座35米口径天线,将与原有一座35米口径天线进行组阵使用,可以实现与佳木斯深空站一样的测控能力。

  其次,天津武清70米口径天线并非深空测控网所属天线,而是属于中国国家天文台所有的VLBI天文观测网天线,但它同样将用于天问一号火星任务测控。

  VLBI天文观测网早在嫦娥一号任务时就已经开始为深空测控服务,当时我国航天只有USB测控系统,其最远测控距离不超过8万公里,主要服务近地轨道以及地球同步轨道卫星,难以覆盖38万公里月球轨道。任务团队提出可以基于我国VLBI天文观测网优异的航天器测角能力,结合USB测控系统的测速测向功能,组成联合测控网,就可以准确计算出嫦娥一号卫星的空间三维位置。

  现如今不论是航天系统所属深空测控网,还是天文系统的VLBI天文观测网都已经是兵强马壮,在70米口径天线建成之前,上海天文台也已经有65米口径天马射电天线,同时乌鲁木齐、昆明等地还有40米、50米等多部大口径天线。

  在新天线设施兴建之前,我国深空测控网就已经拥有触达冥王星以及太阳系边际空间的能力,曾先后于2015年6月11日、2017年5月19日对飞越冥王星的新地平线号探测器,以及坠入木星的朱诺号探测器成功进行了数据接收试验。现如今随着新天线设施的加入,我国深空测控实力将得到进一步夯实。

  要知道在第五个中国航天日定名的天问一号火星探测任务是从属于天问行星探测工程,这是一个系列探测工程,这些天线设施的确要用于火星项目,但它们的目标与能力却远远不止于火星。

  2022年我国还将要发射小行星-彗星探测器,2028年计划发射火星采样返回飞船,2030年还有木星系探测,后续还有太阳系边际探测任务,这些深空探测任务统称为“天问行星探测工程”。

  我国深空测控系统也必将伴随着任务距离的拓展而继续壮大,目前新疆昌吉州奇台县正在建造110米口径全可动天线,建成后将超越美国绿岸全可动天线,一举使我国深空测控装备的技术水平问鼎世界巅峰。在服务航天器测控的同时,它还将在天文宇宙观测与搜寻地外智慧生命领域发挥关键作用,日益强大的深空测控能力用实际行动宣示着我们将如何践行星辰大海的梦想。


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