天问一号第二次中途修正

 

本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=5060

 

自从天问一号成功发射以来,时不时都在留意航天新闻,并学习相关的背景知识,总是有新的收获。

最近,9月20日,天问一号进行了第二次中途修正,4个120N的发动机同时工作20秒,主要是验证了发动机的在轨工作性能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上一次,即第一次中途修正,是3000N的发动机工作20秒。那么,天问一号究竟有多少个发动机呢?

一共是48个。引用中国航天科技集团六院的一则报道如下:

在“天问一号”火星探测器上,航天六院研制交付了着陆巡视器和环绕器的两套推进分系统,共计48台大大小小的发动机。它们将分别为着陆器着陆过程悬停、避障及缓速下降过程提供可靠动力,为环绕器系统提供轨道维持、轨道转移、制动捕获、轨道调整以及姿态控制所需的精准动力。  其中,环绕器上共有21台发动机,分别是8台120N发动机、12台25N发动机和1台3000N发动机。着陆巡视器推进分系统共有27台中室压发动机,分别为20台250N发动机、6台25N发动机和1台7500N发动机。

暂未查到推进系统所使用的推进剂的相关报道和介绍。不过根据之前嫦娥探月工作的情况,应该也是使用技术比较成熟的,且经历了月球软着陆考验的四氧化二氮和甲基肼这一对常温液体推进剂。

嫦娥二号环绕器的主发动机为490牛,天问一号更重一些,因此其环绕器使用了3000牛的发动机,之前第一次中途修正中已经验证过其在轨工作状态了。和嫦娥系列一样,环绕器的8台120N发动机和12台25牛发动机也应该是分为两个分支互为备份。所以,这次第二次中途修正是验证了其中一个分支的4台120牛的发动机。

而天问一号的着陆器的7500牛变推力发动机,和嫦娥三号和四号两个月球着陆器参数一致,应该是同型号或改进型。

据央视新闻的报道,目前天问一号、地球和火星的相对位置如下图所示。

 

此外,从这次报道看,除了三大深空站,纳米比亚测控站也参与到天问一号的飞行控制任务中了。不知道该站以后是否也会升级为深空站呢。

 

 

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全球卫星导航系统排名(2020年版)

 

本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=5001

作者:杨超

 

以我国成功发射天问一号火星探测器为一个标志性事件,中国的航天综合实力已经稳居全球第二。之前的博文已经分别从火箭的运输能力、深空探测网两个方面的比较,论证了这一点。本文比较各国的全球卫星导航系统(GNSS)建设,再次印证了这个判断。

需要说明和强调一点,航天实力的排名是以当前的水平来比较,不能拿历史来比较。我们必须用发展的眼光来看问题。前苏联一度到达相对高的航天水平,但是其继承者俄罗斯则只能吃老本,水平是每况愈下,维护其航天设施都捉襟见肘,谈不上什么发展,更加无法回到过去的辉煌,整体上已经落到中国后面去了。

卫星导航系统关乎着国家的国防安全问题,是最重要的航天应用之一。导航卫星一般采用距离地面2万公里左右的中轨道卫星(MEO),有时辅以更高的地球同步轨道卫星(GEO)。

民用导航应用的设计原理非常简单,就是单向接收到至少3颗导航卫星发出的卫星自身的时间与位置信号,就可以从数学上计算出接收器的位置。所以,一个导航卫星系统的设计,就是保证地球上任何一个地方都能“看到”至少3颗卫星即可。这也是卫星部署到离地面2万公里的轨道的原因,越高覆盖的面积就越广,需要的导航卫星总数就越少。此外,卫星的信号也会受到天气或高楼高山阻挡等影响,设计导航卫星星座时要有一定的冗余。比如我国的北斗系统,理论上在亚太地区总能收到10颗以上卫星的信号,保证了导航系统的稳健性,和增强了导航的精度。

一、美国GPS

美国的GPS系统由美国空军(United States Air Force)建立并维护,现由新成立的天军(Space Force)维护。卫星刚好部署在周期为12小时的轨道上,一天绕地球两圈。整个系统一共由24颗卫星构成,分别位于6个轨道平面,每个轨道平面均部署4颗卫星。

 

 

 

二、中国北斗卫星导航系统

我国的北斗三号导航卫星系统于今年(2020年)7月31日正式宣布建成开通。主要由24颗中轨道卫星构成,分为3个轨道平面,位于比美国GPS略高的轨道上。另有至少5颗地球同步卫星和3颗斜地球同步轨道卫星(IGSO)部署在亚洲上空,起到增强的作用。

三、俄罗斯GLONASS

GLONASS 系统从前苏联时代开始建设,直到苏联解体后的1995年才由俄罗斯继续完成组网。设计轨道比美国 GPS 略低,距地面19000多公里,主体由三个轨道平面共24颗卫星构成。可见导航卫星星座大同小异,就不再重复上示意图了。

由于俄罗斯经济困难,90年代末缺乏足够经费对退役或故障卫星进行更换,到2001年在轨服役的导航卫星一度仅剩可怜的6颗。过了10多年,直到2015年才又逐步重新完成组网。

这样一个维护存在隐患的系统当然只能排在中国的北斗系统后面。

四、欧洲伽利略系统

四大全球导航系统中,以伽利略的轨道最高,约23000多公里。设计方案也是三个轨道平面共30颗卫星。每个轨道平面有8颗卫星加两颗备用。目前只部署了22颗左右,能初步进行导航应用,但也故障频发,甚至出现过连续一周全网卫星瘫痪的情况。其维护水平和俄罗斯算得上难兄难弟。

我国在2003年曾投资加入伽利略系统的建设。但欧洲人背信弃义,我们被迫2006年退出。经此波折,我国还是下定决心建立自己的北斗全球导航系统。到了今年,我们的北斗系统已经正式部署完毕了,欧洲人的伽利略系统还没有完成组网。

五、日本准天顶系统(QZSS)

日本的准天顶系统(Quasi-Zenith Satellite System)完全兼容美国GPS系统,可视为GPS系统在日本天顶的一个增强子系统。

 

目前,准天顶系统已经部署了4颗卫星,其中3颗不对称的斜地球同步轨道卫星(目的是保证总有1颗几乎在日本东京地区正上方)和1颗地球同步卫星。计划从2023年起再打3颗准天顶卫星,构成共7颗的系统。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

六、印度IRNSS

印度的区域导航卫星系统(Indian Regional Navigation Satellite System)目前共有8颗卫星,都是地球同步卫星或者(地面轨迹为对称8字)的斜地球同步卫星。据ISRO官网介绍,能提供精度优于20米的地区性的导航定位服务。虽然还谈不上是一个全球系统,但能独立于美国 GPS 系统提供服务。

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全球深空测控网一览(2020年版)

 

本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4878

作者:杨超

 

之前的博文曾提到过,像火星探测这样的深空探测计划,可大致划分为五大子工程,其中有两项子工程是密切相关的,就是测控系统地面应用系统(Ground Research & Application System,这是立项书中的子项目名称,简称 GRAS)。测控系统主要是追踪、遥测和控制探测器的飞行、入轨和降落等等。而地面应用系统主要完成接收探测器从遥远的太空发回的科学数据的信号,并解码后进行相关研究。这两大子工程的一大共同的关键就是大型天线。

在开展深空探测之前,我们对火箭发射过程和卫星的测控,只需要直径10来米的地面天线就绰绰有余了。这是因为,最远的地球同步卫星,距离地面约36000公里。但这10多米直径的天线,在嫦娥探月工程中就不太够用了,因为月亮距离地球为40万公里。于是,国家随着探月工程的开展,循序渐进的建设直径更大的天线。也就是说,深空探索的一个必不可少的基础设施就是大直径天线。随着今年7月我国的火星探测器成功发射,我国的大直径天线构成的深空网基本建成。火星距离地球最远可以达到4亿公里,比月亮又远了1000倍。如此远的距离,信号非常弱,因此需要非常大的天线才可以接收到探测器发回来的信号和数据,同时也需要发射非常大功率的信号给探测器。

目前各国在航天探测任务中使用的直径最大的天线在70米左右。一般30米以上的天线才能纳入深空观测网。

所以说,深空通信是一个大难题,目前我国已经成功解决这一重大工程难题。之前的一篇博文中,我们对全球火箭运力的对比中,得知以长征五号为代表的我国火箭运载能力是全世界第二,仅次于美国。而在2020年,随着我国火星探测器天问一号的启航,我们的深空网的测控和地面应用(即接收遥远的火星探测器传回的科学数据)水平,也达到全球第二。

下面,通过列举世界所有建立深空探测网的国家的硬件设施来说明这一点。

还有一点要先说明一下,因为一个天线覆盖略小于180度的天空,要构成深空网,对全天达到360度24小时全方位的覆盖,至少要在全球三个不同的地方部署三个天线。最理想的情况是按经度每120度一个。

因此,深空网与近地测控网因其要完成的任务需求不同,往往分开两个不同的独立网络。深空网一般要求30米以上的大直径天线,全球建立至少3个站点。而近地测控网则一般10来米的天线足矣,但是站点需要更多(因为近地,测控范围更小)。比如美国NASA,其深空网由位于加州的JPL负责管理。而其近地网(Near Earth Network,通常仅指地网)又分为地网(Ground Network,由全球约15个地面站组成,其中有一些甚至还是商业运营的地面站)和天网(Space Network,主要由地球同步的中继卫星组成)。天网和地网都由 Goddard Space Flight Center 管理。

全球深空网2020年(Deep Space Network 2020)排名如下:(基于网上可以搜索得到的公开资料,可能存在不甚准确之处)

一、美国NASA

以美国的军事和经济势力,NASA很早就已经建立了全球深空网。据NASA官网的介绍,早在1963年就正式建成,至今已经50多年了。三个主力站点分别位于美国本土加州 Goldstone,澳大利亚的Canberra,和西班牙的马德里(Madrid)附近。而且是比较接近完美的均匀120度分布。三个站都各有70米天线一个,另各有30-40米级别天线数个。三大站点合计30多个天线。见下面示意图,三大站点构成的深空网在近地(3万公里以内)轨道是有盲点的。但这往往是深空探测器的发射阶段,可由近地测控网负责。


NASA设在澳大利亚的 Canberra 站全景图:

 

美国在其巅峰时期建站太多,在和前苏联的太空竞赛告一段落之后,因为维护这么庞大的设备网络过于昂贵,不得不让一部分天线退役。

如:美国1961曾在南非建了一个26米天线,纳入其深空网络,编号 DSS-51(Deep Space Station 51),见下图。1975年,NASA把天线交还给南非管理,南非把它改造成一台射电天文望远镜,即现在的 Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory,简称 HertRAO。

 

又如:早在NASA成立之前,美军1957年就在南美智利首都圣地亚哥北郊建立了一个测控站,1958年美军把站点交给刚成立的NASA。后来NASA把该站交还给智利。2000年后,智利又把站点租给经营商业卫星测控的瑞典太空公司SSC(Swedish Space Corporation)。后来,我国也向智利政府租了一小块地,在瑞典SSC公司的测控站旁边也建了一个测控站(见下面卫星地图红圈处)。这个站点的天线直径不算大,主要用于火箭发射阶段和载人飞船等的测控任务,也可以作为深空测控的一个补充。

二、中国

刚踏进21世纪时,我国用于卫星测控的天线甚至都没有超过18米的。到了2020年,我国的深空网于已经初步建成,足以胜任独立完成天问一号火星探测的任务。可以预期我国的深空天线的建设还会进一步完善,以应对未来比火星更远的深空探测任务。

我国的三大深空站有两座位于我国的国土上。一座是东部的佳木斯站,另一座是西部的喀什站。此外,还有境外的阿根廷深空站。限于国力,我国的三大深空站的角度分布不如美国NASA平均,但也基本实现了对全天无死角覆盖。三大深空站由西安卫星测控中心管理,可能测控数据也同时连接北京航天飞行控制中心。

下面直接上图,看看深空站是多么的震撼。

(1)阿根廷站,35米天线,2017年建成

 

(点击图片看高清大图,图源见水印)

(2)佳木斯站,66米天线

 

(3)喀什站,35米×4 天线阵列

 

以上三大深空站主要用于测控,属于测控系统。

另外还有地面应用系统,而地面应用系统则主要由中国科学院系统负责。中科院有五大直属天文台(相当于研究所),分别是:国家天文台(含新疆天文台、云南天文台)、上海天文台和紫金山天文台。地面应用系统任务由中国科学院国家天文台承担,新建了四台大直径射电望远镜(其实基本上和天线是一回事),项目工程编号分别是GRAS-1、GRAS-2、GRAS-3和GRAS-4。

四个地面应用系统射电望远镜如下:

(1)北京密云,50米,GRAS-1

(2)昆明40米,GRAS-2,2006年建成

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3)北京密云,40米,GRAS-3(图见前面密云50米)

(4)天津武清,70米,GRAS-4,2020年底建成,刚好赶在天文1号抵达火星开展科学探测前启用。

此外,中国科学院和上海市联合出资建设的,2017年建成通过验收的上海65米天马射电望远镜亦可作为地面数据接收站的补充。

三、欧洲航天局ESA

为了不受制于NASA,欧洲航天局在2000年后也逐渐健全了其深空网络,属于ESA的ESTRACK测控网的一部分。三个主力站点分别为:西班牙站、澳大利亚站和阿根廷站(下图中三个有黄色标签标记的蓝色站点)。其中第三个深空站阿根廷 Malargue 站于2012-2013年期间建成,比我国略早几年完成了深空网的升级改造。三大深空站的角度分布比我国略优,更加平均一些。但各站均安置了35米天线,总体直径数据要逊于我国。

 

ESA对原有系统升级改造后(主要是新建35米天线)具有独立深空测控能力。

四、俄罗斯

64米的天线两个,都在莫斯科附近,一个在熊湖,已经坏了(见下卫星图,已经锈迹斑斑,还有几个大洞);另一个在 Kalyazin,在使用中,还参与到欧洲合作的火星探测器 ExoMars 2016 的测控任务中。

70米的天线也有两个。东边的乌苏里斯克(Ussuriysk)有一个70米。西边的乌克兰克里米亚的叶夫帕托里亚(Yevpatoria)也有一个70米,自2014年俄罗斯吞并克里米亚后,也属于俄罗斯了。

另外在前苏联解体前,在乌兹别克斯坦还在兴建一个70米的天线,因苏联解体未能完工。后来有报道乌兹别克和俄罗斯要联合继续修建,但也建建停停,进度非常缓慢,但至今还是一个烂尾工程,见下图。

 

 

 

 

 

由此可见,俄罗斯虽然有几个大直径的天线,都是继承前苏联的。但一是无法构成全天360度覆盖,二是不成系统,有的甚至年久失修坏掉了。此外,俄罗斯深空网的资料是本文撰写过程中收集难度最大的,从一个侧面也可以看出这些深空天线并非处于一个活跃的使用状态。基于这些原因,俄罗斯的深空网排在ESA之后,位居第四。

五、日本JAXA

日本在长野中部的臼田宇宙空间观测所拥有64米天线,于1984年建成,也快40年了。由此可见,我国深空探索事业起步迟,追赶到如今的水平有多不容易。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

另外在南部鹿儿岛的内之浦宇宙空间观测所有34米加20米两个较大直径天线。

总的来说,日本不具备独立深空测控能力,其深空任务需要美国 NASA 等机构协助。

六、印度ISRO

印度亦已经执行了火星、月球等深空探测任务,但其本国只拥有一个32米天线加一个18米天线用于深空,位于南部班加罗尔。和日本一样,其深空任务也依赖于 NASA 的深空网交换数据和控制。

总的来说,只有中、美、欧建成了完整的深空网,俄、日、印三国具备部分深空测控能力。除了以上六国(或超国家组织)以外,其他国家基本没有进行过独立的深空探测。值得一提的是,阿联酋今年略早于我国用日本的H-2A火箭成功发射了火星探测器EMM,但他们也似乎没有建自己的大型深空天线,完全借用 NASA 的深空网络来测控探测器。由下图可见,因为管理的深空任务很多,NASA的深空网业务还相当繁忙。

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全球现役火箭系统全图(2020年版)

 

本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4840

作者:杨超

因为天问一号的发射,最近对航天工程比较感兴趣。上一篇博文谈及了运载火箭系统,本文进一步把全球现役的运载能力在2吨以上(LEO)的火箭系统全部列出来。对没能列出那些运载能力只有几百公斤的火箭表示遗憾。

总的来说,火箭系统还是一个比较复杂的工程,拥有现役发射能力2吨以上的国家或者超国家组织(指欧盟)只有以下六个:

  • 中国
  • 日本
  • 印度
  • 俄罗斯
  • 欧盟
  • 美国

对我们业余关注者来说,对火箭主要了解两点,就能差不多知道各国火箭水平的高低。一是运载能力是多少吨。二是使用什么推进剂(固体、液氧煤油、液氢液氧、四氧化二氮+偏二甲肼等等)和什么发动机,火箭采取什么构型。

几点说明:

1. 此图是用网站 Historic Spacecaft 网站的火箭美工图拼接而成的,原作者为 Richard Kruse.

2. 只列出现役的。研发中的火箭没有列出来,如我国的长征九号、网传的921火箭等等。欧盟也在研制阿丽亚娜6以替代现役的阿丽亚娜5,美国ULA研制火神火箭以替代目前两款火箭, 日本研制 H3 替代 H2,俄罗斯研制安加拉号替代质子号,等等。所以,这个全球火箭全图是2020年版本。

3. 极少数已退役(或运力未达到2吨门槛)的火箭也列出来了,如1970年4月24日,成功发射我国第一颗人造卫星东方红一号的长征一号火箭。

4. 我国火箭正处于更新换代过程中。长征一至四为老一代运载火箭,最大运力为低轨道(LEO)10吨左右。长征五、六、七为新一代运输火箭。其中长征五号LEO运载能力达25吨,是老一代火箭的两倍以上,在全世界来看,运力仅次于美国的 Delta IV Heavy 和 Falcon Heavy,位居全球第三(两款比长五强的火箭均使用 CBC 构型)。

我国旧一代火箭基本都使用液体常温推进剂四氧化二氮+偏二甲肼。新一代火箭则用液氢液氧或者液氧煤油。

5. 具有20吨以上的LEO运载能力的火箭全部用橙色加粗字体标出。

6. 图最右是身高1.8米的人作为对比。

(点击图片查看大图)

上图火箭从左到右依次为:

一、美国

  • Atlas V
  • Delta IV Heavy
  • Antares
  • Falcon 9
  • Falcon 9 + 龙飞船
  • Falcon Heavy

二、中国

长征二号为二级火箭,长征三号和长征四号均为三级火箭;一级二级直径均为3.35米,助推均为2.25米。

  • 长征一号(已退役
  • 长征二号丙(==长征二号甲)
  • 长征二号丁(八院)
  • 长征二号E(长二捆,已退役
  • 长征二号F + 神舟飞船
  • 长征二号F + 天宫一号/二号
  • 长征三号(三级液氢液氧,2.25米,已退役
  • 长征三号甲(三级增大至3米)
  • 长征三号乙(四个助推)
  • 长征三号丙(两个助推)
  • 长征四号乙/丙(三级也是常温液体,2.9米)
  • 长征五号
  • 长征六号
  • 长征七号

三、欧洲

  • 阿丽亚娜5+货船
  • 阿丽亚娜5(Ariane 5)

四、俄罗斯

  • 联盟号(Soyuz,在法属圭亚那发射版本)
  • 联盟号+载人飞船
  • 联盟号+进步号货船
  • 质子号(Proton)
  • 安加拉号(Angara)

五、日本

  • H-IIA
  • H-IIB + HTV货船

六、印度

  • PSLV
  • PSLV-CA
  • PSLV-XL (印度就是用这款火箭把火星探测器送到火星的)
  • GSLV Mk 2
  • GSLV Mk 3 (发射印度月船二号)

 

 

 

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火星探测与运载火箭系统

 

本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4763

作者:杨超

 

火星探测是一项大工程,这是我国载人航天和探月工程的延申(当然载人航天和探月工程本身也在不断升级深化中)。载人航天和探月工程是被列入国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020)》的国家十六个重大科技专项之一。而据报道,火星探测是2016年正式立项的,但是未见有正式公开的文件,我想不久也会以某种形式列入国家的重大工程项目。

从探月与深空探测工程的官网上,可见探月工程本身又可分为五大工程模块,需要不同的单位牵头协同完成。这里每一个子工程都是大工程。比如说其中的发射场系统,就主要包括新建了海南文昌卫星发射中心。与我国之前的三大卫星发射中心相比,这里纬度更为接近赤道,对发射深空探测器来说是一个有利因素。

为了完成火星探测任务,还要继续完善这五大工程,这是一个不断发展的过程。本文主要谈谈运载火箭系统,就是要研发推力更大的火箭。除了火星探测,我们的载人航天工程建设新一代更大的空间站,和探月工程的采样返回,都离不开更大推力的火箭。长征五号火箭经历过一些波折后,已经成功把重达5吨的火星探测器“天问一号”送入地火转移轨道。还有一些新型号火箭,如载人火箭长征2F的升级换代型号长征七号、近地轨道运送能力超过50吨的超重型火箭长征九号等,也处于不同的开发进度中。

长征五号的成功研发,使得我国的发射能力已经达到国际先进水平。上一篇博文提到,当前,现役火箭中最强的6大火箭型号如下:

  • 美国 SpaceX 的 Falcon 9 和 Falon Heavy,
  • 美国 ULA 的 Delta IV Heavy,
  • 我国的长征五号(包括长征五号B),
  • 欧洲的 Ariane 5,
  • 俄罗斯的 Proton,
  • 俄罗斯的 Angara.

其中,又以美国的 Falcon 系列运力最强,其他5款火箭半斤八两,低轨道运力都在25吨上下。而且 Falcon 火箭系列是目前全球唯一的可重复使用的火箭系统,降低了发射的成本。Falcon 9 火箭目前已经是非常成熟,恰好昨晚(8月18日)有一次发射任务,我第一次看了一下其网络直播。

Falcon 9 火箭的 9 表示火箭一级有九台引擎,而非该型号火箭的第9个版本。火箭的一级可以自己降落到地面。

SpaceX 官网上关于 Falcon 9 (Full Thrust Block 5)的一些性能参数,可见性能略逊于长征五号,但是 Falcon Heavy 则强于长征五号。

昨晚的 Falcon 9 执行一个低轨道的发射任务,主要是发射自家的 starlink 卫星58个,每个260公斤。另外开启“共享火箭”商业模式,还同时为 Planet.com 公司发射3个 SkySat 卫星,每个约120公斤,总净负载约16吨。这一重量基本达到了 Falcon 9 近地轨道发射的极限,若不回收火箭第一级,重量还能增加一些。

而这次使用的火箭一级此前已经五次发射并回收,加上这一次则已经重复使用了六次。火箭的发射和一级降落的示意图如下:

根据官网的发射时间表,火箭一级2点火后2分多钟就关机分离,二级9分钟就关机。

Planet.com 公司是一家地球表面成像公司,拥有一批低轨道太阳同步卫星 SkySat 每天对地球表面进行亚米级别的拍摄。这一次发射的 SkySat 则以倾角53度在400公里高度绕行,作为太阳同步卫星的补充(太阳同步卫星一般90多度的倾角),因为人类活动多集中在南北纬53度之间。为什么太阳同步卫星一般90度左右的倾角呢?这个解释起来比较麻烦,就不在这里解释了。太阳同步卫星(SSO)和地球同步卫星(GEO)虽然都有同步两个字,但是含义不太一样,前者指时间同步,后者指空间同步,所以又叫地球静止卫星。

该公司还常常结合世界上发生的新鲜事,隔几天在其官网发布一两张高清地球照片,以展示其公司卫星舰队的能力。下图就是该公司紧跟国际热点,拍摄最近受损的直径300多米的前世界第一的阿雷西博射电望远镜在2020年8月10日的卫星照片。可见现在民用商业卫星成像都达到了亚米级别(即照片的一个像素对应着地面不到1米的距离)。

SpaceX 为了满足客户 Planet Lab 的需求,从直播的遥测模拟画面可以看出,火箭是从佛罗里达州海岸从东北方向发射。模拟画面中,白色应该是计划的轨迹,蓝色是实际飞行轨迹,两者差别不大。从这个图还可以看出,第二圈的轨迹和第一圈有一个夹角,这是因为地球在自转的缘故。

在大西洋上空相继把客户的三颗卫星释放之后,火箭二级又继续飞行到南印度洋上空才把 SpaceX 自家的卫星释放。

发射后不久,Planet Lab 公司发布消息,卫星已经成功进入 207 × 370公里、倾角为53度的轨道。随后卫星将靠自己动力抬升到 400 公里。

 

SpaceX 公司自己的 starlink 卫星也将靠自身动力进一步抬升到目标轨道。

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天问一号第一次中途修正

 

本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4710

作者:杨超

上一篇博文讨论了我国天问一号火星探测器从发射到箭器分离的轨迹。

分离后,天问一号就基本只在太阳(和地球等)的引力作用下飞行。有不少业余和半职业的天文爱好者和无线电爱好者都从太空中捕捉到了天问一号,由此还计算出天问一号的轨道根数。不过由于火星探测器比起近地小行星小多了,随着天问一号离地球越来越远,业余人员很难再观测到。

人造航天飞行器被业余天文爱好者观察到是常见的事情。我国的嫦娥二号完成原定任务后,从日地拉格朗日点L2再次变轨,执行在距离地球约700万公里外飞掠小行星的任务时,也曾被不明真相的业余爱好者观测到。

据报道,8月2日7点0分,北京航天飞行控制中心对天问一号执行了第一次轨道中途修正(trajectory correction manoeuvre,简称TCM)。由于长征五号非常精准地把探测器送入了预定轨道,这次修正的主要一个目的考察发动机的在轨工作情况。

天问一号继续着火星之路的漫漫征程。

 

这次,我国使用重型运载火箭(重型一般指具有把20吨以上送到LEO的能力的火箭)长征五号第一次执行正式任务(之前的长五发射均带有试验性质),把重达五吨的探测器直接送入地火转移轨道,为人类有史以来发向火星的所有探测器中最重的一个。而同期发往火星的阿联酋和美国的探测器因为相对较轻,所以均使用了中型运载火箭。阿联酋用的是日本的H-IIA火箭,美国则是宇宙神五号(Atlas V)火箭。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(宇宙神五号)

 

 

 

我国的长征五号运载火箭在世界上现役的火箭中,运载能力排行第三,仅次于美国ULA公司的德尔塔4重型(Delta IV Heavy)和美国SpaceX公司的 Falcon Heavy 火箭。略强于欧洲的阿丽亚娜5(Ariane 5)火箭和SpaceX公司的Falcon 9。此外,俄罗斯也有质子号(Proton)和安加拉号(Angara)两款运送能力差不多的重型火箭。现役的低轨道运送能力超过20吨的火箭就以上几种了。把Falcon 9/Heavy算成一种火箭的两种变形(长征5号也有长征5号B的变形),即全球只有6款在役的重型火箭。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

前些天北京时间8月16日,欧洲在南美法属圭亚那发射阿丽亚娜5号火箭,把三颗卫星共近10吨送入地球同步转移轨道(GTO)。法属圭亚那在北纬5度左右,发射地球同步卫星是极为理想的位置,基本上就是直接向东飞就行了。但从另一方面讲,我们可以用火箭把探测器直接送入地火转移轨道,却无法把卫星直接送入地球同步轨道(GEO)。因为地球同步轨道的高度为36000公里左右,没有火箭会飞那么高,而是先把卫星送入大椭圆的地球同步转移轨道,再由卫星自己恰当地变轨进入地球同步轨道。

下面是这次阿丽亚娜5发射官方手册中的飞行轨迹示意图。注意此图的星箭分离的位置不正确。从此图上看,似乎火箭绕地一周才完成分离,实际上大概向东飞到非洲或印度洋上空就依次完成了3颗卫星的分离了。

三颗卫星中,最后分离的是属于日本B-SAT公司的用于电视信号放送卫星,据该公司的公告,卫星在火箭点火后47分钟分离(此时火箭显然还没有绕地球半圈),将于8月25日才调整到地球同步轨道。

 

 

 

下图是该火箭飞行在地球表面的投影轨迹。其中显示了5个地面测控站,还有3颗卫星依次分离的位置。

 

 

 

 

 

 

下图是 ESA 在肯尼亚的马林迪(Malindi)测控站的天线。一般火箭发射和卫星的测控中,10来米的天线就绰绰有余了。我国在神舟飞船等任务中,也租用过马林迪的天线。

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天问一号的飞行轨道

 

 

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作者:杨超

 

2020年7月23日,我国的长征五号火箭用了36分钟把天问一号火星探测器送入地火转移轨道,开启了6个多月的征程,将于明年2月抵达火星。这同时也是我国继探月工程之后,正式开启了行星探测计划。

此前的几天的7月20日,阿联酋的HOPE火星探测器在日本种子岛由日本的H-IIA火箭发射升空。在这之后的7月30日,美国“毅力号”(Perseverance)火星探测器在佛罗里达州卡纳维拉角空军基地41号发射场由Atlas 5号火箭发射升空。

至此,2020年的这次火星探测发射窗口期的全部探测器均已经成功发射。而欧洲的ExoMars火星探测器的发射又一次推迟,只能等到下一个窗口期,即26个月之后的2022年。

这段时间,网上不少科普都解释了为何多国都扎堆在这个窗口期发射火星探测器,主要原因是所谓的霍曼转移轨道(Hohmann Transfer Orbit),比较节省飞达火星所需的燃料。由连续性,在这个时间点前后约一个月多月的时间内,都可以设计出合适的飞行轨道,和理论上最佳的霍曼转移轨道相差不远。

霍曼转移轨道的发射时机是火星与地球的夹角为40度左右。而地球公转的角速度是火星的1.88倍左右,每两年多(即26个月左右)套火星一圈。所以这个40度左右的夹角每26个月才出现一次。

值得指出的是,这个地火转移轨道是指探测器由火箭发射升空后与火箭分离,直至接近火星近火制动好让探测器被火星的引力捕获的这一段过程。这一个过程中,除了中间少数几次的轨道中途修正和深空机动之外,探测器基本上只受到大阳的引力作用(地球和火星的引力都可以忽略不计),其数学模型是相对比较简单的。

而如何用火箭精准地把探测器从地面送入这个地火转移轨道,则要更为困难。所以大家看到发射过程中,发射中心和测控中心的人员都比较紧张。顺利送入轨道后,大家都松了一口气,对这漫长的近七个月的旅途倒没有表示出太多的担心。下一个需要担心的时刻是近火制动。

第一个成功把火星探测器成功送到火星环绕轨道的亚洲国家是印度,于2013年发射,2014年抵达火星。印度人做了一个比较详细的轨道示意图(点击可看大图)。

由此图可以看出,印度的探测器是环绕地球轨道飞行了多圈后,经过多次加速调整,才最后加速离开地球,进入地火转移轨道。主要原因是印度当时的火箭推力不足,不足以把探测器直接推到能够脱离地球的第二宇宙速度。

更早前的1998年,日本也尝试发射火星探测器“のぞみ”号,但是接连发生各种故障,脱离地球轨道时没有正确入轨,经过多次轨道调整,最终也没能进入火星环绕轨道,以失败告终。

 

我国在2011年也曾尝试向火星发送“萤火一号”探测器,不过是搭乘俄罗斯的火箭,发射失败,最终连地球也未离开。

这次阿联酋也有发布他们的希望号(HOPE)的飞行轨道示意图。但是这个示意图并没有体现火箭发射阶段的飞行轨迹。

用H-IIA火箭把阿联酋的希望号送入轨道的三菱重工有如下的发射计划图,显示了发射轨迹在地球上的投影路径。最终实际发射实际为日本时间7月20日早上6点58分,探测器在约57分钟后和火箭彻底分离。由此可见火箭是绕了地球飞行了大半圈后,从地球背向太阳的一面进入双曲线逃逸轨道,并在后期进一步进入地火转移的大椭圆轨道。

美国毅力号是在美国东部时间早上7点多发射的,发射过程的飞行轨迹和日本相仿,也是绕了地球大半圈。而且从发射到和火箭分离也是总用时约1个小时。下图是毅力号发射公司ULA官网上公开的发射计划。

关于“天问一号”的发射飞行轨迹,我在网上各种官方半官方的网站或媒体上找不到类似于以上图片这么精准的轨迹图。不过根据各种视频文字报道,可以判断出飞行路径和日美两家类似。唯一的区别是于我们发射时间是中午12点多,相对而言,少绕了地球近1/4圈。

根据央视的直播,从监控画面看,器箭分离时,已经在西经126度南纬29度的上空近500公里,快要飞到南美阿根廷上空了,已经绕到地球背面了(背向太阳的一面)。此时检测速度为对地面10.907公里每秒,已经超过了这个高度下的第二宇宙速度,进入了地球逃逸轨道了。

与日美相比,我们这次火星探测器最重,总重达到5吨,但是送达逃逸轨道的时间最短,仅用了36分钟器箭分离。

成功发射后,深空测控也进展地进行。据报道,器箭分离后仅4分钟,我们深空测控网的阿根廷站就捕获了探测器。

天问一号探测器是沿着地球公转轨道切方向略向外,从地球背面飞离地球。因此,直到入夜,即我国国土逐渐因为地球的自转而转到地球背面去时,我们境内地两个深空站才陆续捕获天问一号。发射当天晚上9时37分,东部的佳木斯先捕获到,第二天凌晨1时许,西边的喀什站也捕获到了。

因此,虽然没有找到天问一号的发射轨迹图,我们从各种报道中也容易想象天问一号在太阳系中的飞行轨迹:中午12时许几乎是太阳直射的时候随着火箭起飞,自西向东飞过太平洋,并且略偏南。这是因为7月正是北半球夏天,地球自转轴倾向太阳,而探测器是几乎在黄道平面内飞行。绕到地球背面后,就沿着地球公转轨道的切线飞离地球了(参见下图蓝色线,俯视黄道平面的角度)。

 

据后续报道,北京时间7月28日凌晨5时左右,天问一号飞离到距离地球150万公里处,离开了地球引力范围。这意味着正式从地球逃逸轨道(双曲线)转接到地火转移轨道(椭圆)。此时天问一号与地日连线的夹角为105度左右(据ProjectPluto上的公布的观察计算数据),也和我们前面分析的飞行轨迹完全吻合。

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第五个Switch游戏《Creaks》

 

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之前已经有四篇博文分别写了四个任天堂 Switch 游戏,本文是第五个。

因为疫情,儿子的幼儿园6月初才开学,7月21日又放假了。刚好7月15日,在微博上看见《机械迷城》的开发者的新游戏《Creaks》将于7月22日在 Switch eShop等平台上发布的消息,就计划着要购买,以便儿子放暑假时,玩给儿子看看。

约10年前,我玩过《机械迷城(Machinarium)》,比较喜欢这个游戏。我还以为我的博客中之前写过这个游戏,经过一番搜索后,发现我的记忆有误。我只在一篇博文中提到过一下这个游戏,并没有专门为这个游戏写过博文。《机械迷城》属于 Point-and-Click 类游戏,我也不怎么特别想写。

后来大概在儿子两岁多的时候,我又在海信电视机上打了一遍《机械迷城》这个游戏给儿子看,儿子也比较喜欢。所以我想,这个画风类似的新游戏《Creaks》儿子应该还会喜欢,可以在这个比较短的暑假中消磨一些时间。

但是我在Switch日区的eShop的即将发售列表中并没有看见《Creaks》,于是又注册了一个美区的账号,发现美区上有,且标价19.99美元,作好了在美区购买的准备。在Steam上也看到这个游戏即将发售,但是价格未知。

7月22日一早,我先打开日区的eShop,发现《Creaks》虽然之前并没有出现在即将发售列表里,但现在已经直接出现在新发售游戏里了,价格为2200日元,和美区也差不了多少。且美区还没到7月22日,暂时尚未正式发售。于是我就直接从日区购买了。游戏大小接近5G,直到晚上才下载完毕。相比之下,《机械迷城》才不到200M。

7月22日当晚11时一到,《Creaks》在Steam上也正式开售,价格为78元人民币,差不多是我从Switch日区购买的价格的一半。之前好友JimmyZ也告诉过我,很多小游戏在Steam上会比Switch上便宜,可下载类游戏若在其它平台也有,最好别在Switch上买。但是 Switch 版本更利于我在大电视上演示给儿子看,所以我一开始就做了不管价格直接买Switch版本的打算。

《Creaks》内部菜单有中文,但游戏本身并没有汉化名,虽然很多中文媒体都把它称之为《嘎吱作响》。这款游戏是一个侧面视角的2D平台解谜游戏,可以归入典型的推箱子类益智游戏中,动作要素几乎为零,基本不需要太眼疾手快。

游戏用一个大地图把相对独立的关卡串联起来。我没有细数,大概只有40多关,每天只给儿子演示一小会,7月28日就通关了。

游戏机制也比较简单,随着游戏的推进,逐渐出现四种(也可以说是五种)不同的怪物:柜子狗、水母桌子、衣架人(有男、女之别)和山羊椅子。每种怪物都有不同的固定的行为模式。

  • 狗:主角靠近它,它就会攻击;
  • 水母:在关卡里不间断地游荡,碰到障碍物后,按某种固定顺序转向;
  • (男女)衣架人:在水平方向上,男的总是和主角同方向移动,女的则反方向移动;
  • 山羊:主角靠近就跑开,在有草的地方停下来吃草。

因为游戏世界设置为一个地底世界,所以四种怪物又有一种共同的行为模式,那就是当怪物被灯光照射(有不同类型的开关可以控制灯的开与灭)之时,都会变成相应的家具不再移动。如狗变成柜子,山羊变成椅子,水母变成桌子(见下图,似乎是地球仪,不是桌子)等等。变成家具后,还可以推或者拉,真正融入了推箱子元素。

游戏主要就是利用这些规则躲避怪物,走到出口过关,进而可以在大地图上继续前进。

大地图设计的也比较用心,并非简单地把各个小关卡串联起来。比如,有一个小关卡的场景在大地图上需要两次通过,但是两次通过的谜题和出入口是不同的,即同一个场景被精心设计成了两个关卡。而且在串联的路上可以发现收集各种各样挂在墙上的画,作为游戏主线的一个点缀。

个别关卡设计得比较巧妙,但总的难度不高,没有那一关会有被卡住过不去的感觉。所以悠悠闲闲地,也一个星期不到就通关了。下图为通关后和怪物们开派对(PARTY)。

最后,字幕出来了。

总的来说,这个游戏算是近年来难得一见的纯粹的推箱子类益智解谜游戏。但是游戏流程非常短,可能有人会觉得不太对得起这个价格。我儿子在看我玩的时候非常高兴,常常兴奋地用他的视角向我描述游戏中发生的事情,令我感觉这游戏也没白买。

总游戏时间大概10个多小时。

 

 

 

 

 

 

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新冠病毒与跑步总结:第十三个半年

 

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因为新冠病毒全球爆发,已经三个多月没有跑步了,体重达到70公斤上下。

  • 2019年11月:19.5公里(1.5k+1.5k+广外校运会1.5k+4k+6k+5k)
  • 2019年12月:28.5公里(3k+中大4.5k+5k+6k+6k+5k)
  • 2020年1月:21公里(清迈10k+西大球场5k+路跑6k)
  • 2020年2月:0公里
  • 2020年3月:0公里
  • 2020年4月:0公里

半年合计:69公里。

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任天堂 Switch 上的《Toki Tori》

 

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《Toki Tori》是我最喜欢的游戏之一,我之前在2011年有一篇博文介绍过这个游戏。我记得我后来把这个游戏全部通关了,但具体什么时候通关的,我查不出来,大概2012年底之前吧。这个游戏不少关卡都极其难,想几天都想不出来。

这个游戏实际上是一个比较老的游戏了,是2001年作为 GameBoy Color 上最后几款游戏之一发行的。我之前一直以为2001年就是这个游戏诞生的年份,最近在网络上再搜索这款游戏的资料时,才发现 GBC 版本是基于开发者更早的1994年在 MSX2 家用电脑系统上的一款名为 Eggbert 的游戏重制。GBC 版本与 MSX2 版本相比,游戏机制和游戏角色形象基本不变,关卡则据我初步观察,大规模替换了一些更好的设计。

我最早接触到这个游戏在其问世的约17年后的智能手机时代,是在 Android 系统上第一次见到这个游戏的。Android 版是原 GBC 版的重制版本,游戏画面有了大幅度的提升。除此之外,游戏的核心玩法原封不动。关卡也是基本原封不动,我注意到GBC版有一关可以少用一个工具过关。后面的智能手机版、家用主机版等都把此关局部微调,把漏洞补上了,也增加了原关的难度。可见优秀的关卡需要不断打磨,就如我们的推箱子比赛的关卡一样。

继GBC版本之后,开发者到了2008年才又再一次重制,并在任天堂的 Wii 主机平台以 WiiWare 发行。在这以后的版本,包括我最早接触到的Android智能手机版本,都是基于这次重制针对不同平台的微调。

继 Wii 之后,《Toki Tori》还在任天堂的家用主机 Wii U、掌机3DS(因3DS的特性,游戏名为《Toki Tori 3D》) 、索尼的 PS3 、苹果的 iOS、个人电脑上的 Steam 等平台都发行过。2018年,《Toki Tori》发行了任天堂 Switch 版本。

2012年底我曾在 Steam 平台购入了这个游戏。2013年还购入了其续作《Toki Tori 2+》,不过这个的游戏规则和1代可以说完全不同,我还是更喜欢原来的1代多一些。

由于新冠病毒影响,我偶尔又在 Switch 系统上浏览 Nintendo eShop,发现其特价促售游戏里有这一款游戏,原价 400 日元,打折后仅售100 日元,折合不到10元人民币。由于我账户中还有20日元余额(上次购入《仓库番》剩下的),最后忍不住用 80 日元(约6元人民币)第二次买了这款游戏。《Toki Tori 2+》实际上也被我买过两次,这次买了 Switch 版本的《Toki Tori》后,1、2两代都重复购买了。

Switch 版本一个意想不到的变化是只能用手柄方向控制游戏角色,把自动寻径功能去掉了。而之前的 Wii 版本也好,Windows 版本也好,都是同时支持按键方向控制和智能寻径的两种方法的。

现在各大主机平台上的游戏基本分为商业大作和独立制作游戏两大类。前者如《塞尔达传说》既有实体卡带,也可以在 eShop 上购买并下载纯电子发行版。后者则以纯电子方式发行,任天堂 Switch 主机上的《Toki Tori》当然属于这种形式。

不过这次购买 Switch 版《Toki Tori》前,我又上网搜索了一下这个游戏,意外发现有个英国的 Super Rare Games 公司专门为出类拔萃的独立游戏发行限量的实体卡带。合集《Toki Tori Collection》作为他们公司的第19款销售的实体独立游戏,于2019年发行,限量5000套,但是已经售空,我还有点遗憾未能买到。因为这个合集除了包含重制新作的《Toki Tori》一代、《Toki Tori 2+》之外,还包含了可以模拟运行的原来的 GBC 版本的《Toki Tori》,的确有一点收藏价值。

 

 

 

 

 

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