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中国将在 7 月执行首次火星探测任务,你对本次任务有哪些期待?

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中国科学院院士包为民:今年7-8月,我们将用长征五号火箭,也就是新一代运载火箭里的最大个进行发射。火星探测器发射升空后,明年2月将到达火星的引力势场以…
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[2020年6月4日]

距离预计发射时间还有一个多月,这次火星探测在工程和科学上都有重大意义。

工程上的意义不言而喻,是从0到1的挑战,“绕,落,巡”里每一个环节都是探索性质的,在这次火星探测中将会完成前所未有的技术积累。


但是作为一个researcher,我其实更关注的是天问的科学目标以及其对应的科学载荷,天问携带了13个科学载荷,将会对环绕轨道和火星表面的包含测量磁场,粒子,气象等多个物理量的精确测量。

值得一提的是,这13个载荷中的磁场测量装置“磁强计”是由我们科大的日地空间组研制的。

我也很有幸参与了这个科学载荷的测试。


火星磁场

这个磁通门磁强计主要用于测量环绕轨道上的矢量磁场,由环绕轨道上的磁场可以通过模型进行磁场外推(Magnetic field extrapolation)的方式得到火星表面以及附近的磁场分布。

火星磁场从1998年被MGS发现到现在一直都有存在一个未解之谜,就是它的磁场起源。火星本身没有活跃磁场,但是它的地壳里有“剩磁”,其在局部可以达到几千nT [1]

由MGS和MAVEN环绕数据反演得到的火星表面磁场

学界对于火星磁场的起源的讨论还非常激烈,有很多不同的模型。

希望天问上的磁强计记录的数据可以给火星磁场起源这个科学问题带来一些新的进展。


科学探索就是这样,先历经千辛万苦解决工程难题,然后才是科学发现的开始


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参考

  1. ^A New Model of the Crustal Magnetic Field of Mars Using MGS and MAVEN  https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018JE005854
编辑于 2020-06-04 18:24

至少环绕火星探测的任务要成功吧。

从地球到火星是一个危险的过程,如果给火星探测写一个简史的话,那就是

火星探测最成功的就是美国了

水手4号探测器,第一个成功飞掠火星的探测器,并发回了第一张火星照片
海盗一号着陆器发回的第一张火星照片


火星旅居者(上图)是人类第一辆成功到达火星的火星车,而人们更为熟悉的可能是勇气号(下图)和机遇号了。

苏联/俄罗斯的火星探测任务就像着了魔一样,甚至没有完全成功过。后来俄国人曾想另辟蹊径搞火星卫星探测,当然也是铩羽而归。

谁曾想1971年苏联发射的火星3号竟然成为了其最成功的一次火星任务

而在火星上降落更是困难。至今火星依然是探测器坟场。

火星3号的着陆器,人类历史上第一个到达火星表面的装置,但是其也只是正常工作了14秒,甚至连一张照片都没有发回来。
欧洲的小猎犬2号,由于太阳能板没有完全展开,遮挡了通讯天线,导致无法与地面建立联系。任务失败。

说来你们可能不信,世界上唯一一个首次火星任务就成功的国家是三哥。

印度的MOM,加上燃料一吨多,实验器材16千克的小玩意,在火星椭圆轨道上运转,只有在近火点才能收集到实验数据,但依然是第一个首次成功的火星探测器

中国曾和俄罗斯合作,用天顶火箭发射我国研制的萤火一号和俄罗斯的福波斯-土壤号探测器。当然,根据俄国火星计划的一贯风格,失败了。

萤火一号(图中3)和福波斯-土壤号。俄罗斯探测器的计划更为大胆,降落火卫一,采集地表土壤样本并返回地球。但是这个组合甚至没能摆脱地球引力。

如果不算萤火一号的话,中国能不能争取一个世界上第二个首次火星任务就成功的国家,就看天问一号了。当然,天问一号的任务难度是MOM无法比拟的。如果天问一号能够成功,或至少部分成功,对我国航天事业的鼓舞将是巨大的。毫无疑问,明年航天日的时候,天问一号将会是整个活动的主题。

地火转移轨道有五亿公里,太空中没有路,但是遍布坎坷。有些国家花了60年也没有顺顺当当的走完这五亿公里。希望天问一号能够飞的更远吧。


更多航天有关的回答请见

编辑于 2020-06-01 13:15

深空探测成本高昂,去火星当然不能只是看看而已。作为中国首次自主火星探测任务,如果能够顺利抵达、登陆火星,“天问一号”都有哪些科学目标?中国月球探测工程首席科学家欧阳自远院士在格致论道讲坛为大家解读。


一个小故事:在格致论道活动的现场,欧阳自远院士遇到了另一位嘉宾,星球研究所创始人耿华军老师。了解到耿老师创办了“星球研究所”以后,欧阳先生说:“星球研究所?厉害啊!那我们都归你们管啊!”

发布于 2020-07-21 08:54

我要求比较低,入轨不亏,着陆算成功,巡视血赚。毕竟火星探测成功率太低了,另外咱们深空测控就嫦娥二号的那一点经验,深空测控太艰,信号延迟、衰减,火星的稀薄大气也是困难重重。期待并等待。



恭喜啊,第一步发射已经圆满成功,

长五表现很好。

天问加油,一路顺风,地火转移顺利。

另外期待年底的嫦娥五采样返回计划

编辑于 2020-07-27 20:00

发现了一个细节,

中国航天的方法论变了,

从“确保全面胜利”变成了“分割风险,有风险的项目确保先进,成功血赚失败不亏”,

这个方法论的转变比在火星上研究出什么的意义大多了。

发布于 2020-06-12 10:49

这既是我国首次尝试向地月系统以外的行星投放着陆探测器,又是我国自主深空探测任务的一个里程碑。一旦成功,将标志着我国深空探测技术的进一步成熟。

现在,主要的期待在于火星探测器可以正常发射运行,以及到达目的地后的成功入轨,还有着陆器的安全投放。其次才是解决火星液态水来源、构造形迹分布、地质演化历史、矿物赋存状态、生物大分子存在与否等科学问题。

编辑于 2020-10-29 04:28

第一次火星探测,我觉得作为我们普通人对这次任务完全成功不要抱太大的可能。

因为人类历史上对火星进行探测的失败率太高了。(不过进入21世纪以来世界上的几次火星探测任务成功率还是比较高的)

(当然,也是为了到时候能够有更多的惊喜)

从历史上美国、前苏联/俄罗斯、欧洲等等他们的发射情况和失败原因来看,火星探测的难点在于以下几点:

1、发射到绕地轨道

这一点难度相对来说是最低的,按理说应该能完成这一点。担任这次发射任务的是我国的长征五号遥四火箭,从16年底的首飞到现在,长五系列火箭发射了四次,不过在17年第二次发射有失败记录,其他三次成功发射;前不久5月5日刚刚成功把我国新一代载人飞船试验船发射成功,也算是给这次火星探测任务做的一次提前实验吧。个人认为这一点出问题的可能性不大。

2、绕地轨道点火

这一点是第一个关键点。历史上前苏联就有多次火星探测任务是因为在绕地轨道上未能成功加速而导致失败。个人感觉,对于我国来说,基于多次月球探测的相关经验,点火加速踏上前往火星的轨道应该不成问题。

3、被火星捕获进入环绕火星轨道

这是第二个关键点,也是我觉得难度很大的一个点。要成功被火星捕获的话,前面的点火环节就得把握得当,同时也需要把握减速时机,而且进入轨道后还要保持良好的通信。鉴于我国的火星探测任务是第一次,于我而言,到这一步如果能成功完成的话,我心里90%的期待就能踏实了。

4、着陆

其实对我这个旁观者来说,这一步就相当于是bonus了!(我觉得能够进入火星轨道并且能稳定传回数据就是个很大的成功)但是对于参与这次任务的科研工作者们来说,每一步都是要当成重要任务对待的,每一步都是要尽量确保不容有失的。如果着陆也能成功的话,那我国的火星探测任务就是圆满啦!

当然,我们都希望这次火星探测任务能够圆满完成;而且今年同期世界上还有多个火星探测任务准备进行,如果一次成功的话,那我们国家在世界航天领域的地位就肯定再能提升很多了。

毕竟任务还没开始,这里就先不谈失败啦,先期待着这次任务开始吧!加油!

有幸能够在这样一个火星探测大年能够看到世界多国的“巡演”。

编辑于 2020-06-04 20:25

更新:100%成功

航天人牛逼!


恭喜天问一号成功入轨:更新概率

基本目标(60分,成功概率93.8%):地-火轨道转移(已成功),轨道器正常工作(93.8%)。

满意目标(95分,成功概率 62.6%):轨道器正常工作,成功登陆火星。

血赚目标(100分,成功概率 52.1%):轨道器正常工作,成功登陆火星,火星车开始巡视。


祝贺长征5号发射成功,五大系统里发射场系统和火箭系统都圆满完成任务了:更新概率

基本目标(60分,成功概率 75.0%):成功完成地球-火星轨道转移,轨道器在火星正常开展工作。

满意目标(95分,成功概率 50.1%):轨道器正常工作,成功登陆火星。

血赚目标(100分,成功概率 41.7%):轨道器正常工作,成功登陆火星,火星车开始巡视。


对比2020年的三大火星任务

\begin{array}[b] {|c|c|} \hline & 美国“毅力号”& 中国“天问一号”&阿联酋“希望号”\\ \hline 火星车 & 1025千克 & 240千克 &无 \\ \hline 火星车尺寸 (体积的比例) & 3.0m \times 2.7m \times 2.2m(100\%)& 2.0m \times 1.65m \times 0.8m (14.8\%) & 无\\ \hline 轨道器 & 无 & 3175千克 & 1350千克\\ \hline 抵达时间 & 2021.2.18 & 2021.2.11 — 2021.4.24 & 2021年2月\\ \hline 探测持续时间 & >687地球日 & >687地球日(轨道器); >90地球日(巡视器) & 2年\\ \hline 任务地点 & 杰泽罗火山口(39至35亿年前深250米的湖) & 乌托邦平原南部(2016年已被报告存在大量地下冰) & 对火星大气情况的全面了解\\ \hline 运载火箭 & 阿特拉斯V (GTO 8.9吨) & 长征五号 (GTO 14.4吨) & 日本H-IIA (GTO 5.8吨)\\ \hline 下一步计划 & 2029年春季取样返回 & 2031年取样返回 & 暂无\ \end{array}\\

2020年的三项火星任务,横向对比来看,中国“天问一号”计划一次完成“绕”、“落“、”巡“,任务难度非常大。

  • “绕“:轨道器重量是同期阿联酋”希望号“的2.35倍
  • “落“:除了美国、苏联、欧空局之外,没有成功降落火星表面的着陆器,其中持续正常工作的只有美国的着陆器。1971年,苏联“火星三号”着陆器只正常工作了14秒。2003年,欧空局“小猎犬”2号天线未打开,降落后失去联系。
  • “巡“:除了美国之外,迄今没有成功运行的火星车。

从1960年开始,人类迄今共进行了55次火星探测任务。

\begin{array}[b] {|c|c|} \hline & 次数(共55次任务)& 概率\\ \hline 成功 & 24 &43.6\%\\ \hline 部分成功 & 4 & 7.3\%\\ \hline 失败 & 27 &49.1\%\\ \end{array}\\

55次任务中包含“绕”、“落”、“巡”、“飞越”四种任务。

\begin{array}[b] {|c|c|} \hline 失败原因 & 失败次数(共27次) & 前序任务成功后此类型任务次数&任务成功概率 \\ \hline 发射 & 10 & 55 & 81.8\%\\ \hline 轨道转移 & 9& 45 &80\%\\ \hline 轨道器 & 1& 16 & 93.8\%\\ \hline 登陆 & 6 & 18 & 66.7\%\\ \hline 巡视 & 1 & 6 &83.3\%\\ \end{array}

各阶段任务难度不同。

  • 最放心的阶段:已成功进入火星轨道后,轨道器进行在轨观察任务,这个阶段轨道器的空间环境较为稳定,受火星环境影响较小,可长期稳定工作。
  • 最难的阶段:登陆阶段,登陆器通过火星大气降落在火星表面,速度变化大,环境恶劣,成功概率较低。
  • 其他阶段:1. 轨道转移难度仅次于登陆难度;2. 发射失败多发生于上世界60年代,本世纪的发射任务全部成功;3. 若登陆器成功登陆后,巡视器正常工作的成功概率较高。

根据历史数据,此次“天问一号”火星探测一次性成功完成“绕”、“落”、“巡”的概率为34.1%。完成“绕”的成功概率为61.4%,完成“绕”+“落”的概率为40.1%。

如果长征五号状态已经稳定,排除发射阶段失败风险,完成三项任务的成功概率为41.7%,完成“绕”的成功概率为75.0%。完成“绕”+“落”的概率为50.1%。

其他影响因素包括:1. 火星探测积累的后发优势能有效提高任务成功概率;2. 中国的首次任务也将降低成功概率。

综上所述,本次任务的主要难点在于1. 火星登陆阶段,2.地球-火星轨道转移阶段。

合理目标为:

基本目标(60分,成功概率 61.4%):成功完成地球-火星轨道转移,轨道器在火星正常开展工作。

满意目标(95分,成功概率 40.1%):轨道器正常工作,成功登陆火星。

血赚目标(100分,成功概率 34.1%):轨道器正常工作,成功登陆火星,火星车开始巡视。

同期三个任务中,最好的火箭,最难的任务,天气还特别好,就是没有官方直播......好可惜呀

编辑于 2021-05-24 22:03

说实话,个人觉得期待不要定太高,以免落差太大

相比月球探测,火星探测的难度就不是增加一级两级了,难度太大了。如果说月球探测是在平原地区修公路,火星探测可以说是在秦岭修公路,蜀道之难,难于上青天。从发射之后一直都是高难度挑战,第一步入轨难度就不小,如何精确入轨而不飞向更遥远的深空,非常考验控制系统,降落火星不知道我们会不会参考美国的经验(个人感觉美国人不会和我们分享的),巡视问题不是很大,只要能落,巡就有了保障。

个人期待就是:入轨就是成功,落火星就是血赚,巡视就够中国航天吹30年

(真的希望能吹30年)

发布于 2020-06-09 15:23

作为一个相关从业者,我还是可以提一些问题的。具体的科学载荷我不大记得了,但是我希望能得到的结果包括但不限于:

1.火星地震数据

2.火星表面重力数据

3.火星岩石样本

4.高分辨率的图像

5.大气成分

要是有一手数据就好了,虽然我在做梦

发布于 2020-06-04 16:41

先睹为快:CG动画模拟中国火星探测全程

今年10月14日7时25分“火星大冲”,到时地球将会来到火星与太阳中间,与火星距离最近,约5000万公里。此前两三个月,是人类向火星发射探测器最佳时期,被称为“窗口期”,所以今年的火星发射窗口期大约在7至8月……

到时,包括中国的“天问一号”、美国“毅力号”和阿联酋“希望号”在内的多国火星探测器,将同台竞技奔向火星。

但是咱们没有走其他国家火星探测的老路子,首次任务就计划通过一次发射任务,同时实现对火星“环绕、着陆、巡视”3个目标。以便开展火星全球性和综合性探测,并对火星表面重点地区精细巡视勘查。

之所以首次火星探测起点就定这么高,主要因为中国航天技术水平的进步,尤其是探月工程的技术积累。还可以进一步缩短与美国、俄罗斯等在深空探测技术方面的差距。

本次火星探测共设定了五大科学目标,主要涉及火星空间环境、形貌特征、表层结构等内容。为此,火星探测器搭载了13种有效载荷,其中环绕器上7种、着陆器上6种。

到时,着陆器上携带的6种载荷将对相关科学问题展开探测。

火星车还携带了大气环境测试仪,可以获取火星温度、风力等信息,可直观地了解火星和地球环境的异同。

但是,这次火星探测的风险仍然不可小觑!

从1961年至今,人类已实施火星探测活动40多次,但成功和部分成功的任务仅有20多次,成功率不到50%。其中着陆任务17次,成功8次,成功率也只有47.1%。

而一次发射完成多种探测,虽然可以“少花钱,多办事”,但技术复杂,风险更大。目前也只有美国的海盗1号和海盗2号火星探测器成功实现一次发射完成环绕探测和着陆探测。

奔火的过程中,控制中心会根据入轨的具体情况,不断修正探测器的飞行方向,到达火星附近时及时刹车,这些动作必须一气呵成,否则就会‘滑’向更远的深空。

火箭将探测器发射至地火转移轨道,随后在地面测控系统的支持下进入环火椭圆轨道

运行到选定的进入窗口,探测器将进行降轨控制,释放着陆巡视器组合体。

着陆巡视器组合体成功软着陆后,火星车(即巡视器)将与着陆平台分离,开展区域巡视探测和相关的一些工程实践活动。

环绕器将为火星车提供中继通信链路,并开展环绕科学探测。

这其中,最大的难点在于“恐怖7分钟”,即再入、下降与着陆过程中,要在7分钟内将探测器的时速从两万公里降低至零。由于远距离数据传输的大时延,就要求着陆器必须具有很高的自主能力。

另外,火星光照强度小,加上火星大气对阳光的削减作用,着陆器能源供给也比月球更为困难。

再有就是着陆之后,火星车会面临什么样的地形,能否安全行驶到火星表面,火星尘暴来临时,火星车利用什么手段规避?这些都是这次火星探测所面临的考验。

如果这次任务成功,2030年,我们还能看到火星采样返回。

至于载人登陆,到那时就已经没有技术条件限制了……

只期待走好每一步,只要能见证中国航天的进步,每一刻我都满心欢喜~而我们的目标是星辰大海!

补充几张火星尘暴照片及动图:


甚至火星轨道器还曾拍摄到的50米宽,650米长的龙卷风

火星巡视器也曾拍摄到类似的画面,动图找不到了……

编辑于 2020-07-20 21:37

我的看法和大多数答主的谨慎不同,还是相对乐观的。

电子和计算机技术、人工智能的飞速进步有利于航天事业的成功,我想这也是为什么我们第一次上火星就上绕落巡的原因。我谨慎乐观地看好我们有较大概率全部完成这三个步骤。

当然,乐观不代表不能接受失败,再有把握的任务也存在失败的可能性。失败了没什么,下个窗口从头再来就是了。

发布于 2020-06-15 22:42

不要忘记萤火一号。

不要因为萤火一号失败就将其抹去,他依旧是中国朝着火星踏出的第一步。

2011年11月8日,“萤火1号”搭乘在俄罗斯的福布斯号采样返回探测器上一起发射升空,开始对火星的探测研究。11月9日,俄方宣布福布斯—土壤号火星探测器变轨失败。

发布于 2020-06-02 23:46

这次能成功进入火星轨道就蛮好的了。

发布于 2020-06-10 12:31

没啥期待,能入轨就算成功

发布于 2020-06-03 23:41