天问一号第四次中途修正、近火捕获及进入火星停泊轨道

 

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天问一号的飞行轨迹从发射以来一直非常精准。

2021年2月5日20时,首次火星探测任务天问一号探测器发动机点火工作,顺利完成地火转移段第四次轨道中途修正,以确保按计划实施火星捕获。截至目前,天问一号已在轨飞行约197天,距离地球约1.84亿公里,距离火星约110万公里,飞行里程约4.65亿公里,探测器各系统状态良好。

此前,天问一号在距离火星约220万公里处,获取首幅火星图像。

2021年2月10日19时52分,中国首次火星探测任务天问一号探测器实施近火捕获制动,环绕器3000N轨控发动机点火工作约15分钟,探测器顺利进入近火点高度约400千米,周期约10个地球日,倾角约10º的大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标。

以火星为参照系,天问一号的近火捕获轨迹如下图(图来自航空航天港论坛)。

2021年2月15日 17时,首次火星探测任务天问一号探测器成功实施捕获轨道远火点平面机动。3000N发动机点火工作,将轨道调整为经过火星两极的环火轨道,并将近火点高度调整至约265千米。后续,探测器还将通过数次轨道调整,进入火星停泊轨道。

2月20日实施了第二次近火制动。

2021年2月24日6时29分,首次火星探测任务天问一号探测器成功实施第三次近火制动,进入近火点280千米、远火点5.9万千米、周期2个火星日的火星停泊轨道。探测器将在停泊轨道上运行约3个月,环绕器7台载荷将全部开机,开始科学探测。同时,载荷中的中分辨率相机、高分辨率相机、光谱仪等将对预选着陆区地形地貌、沙尘天气等进行详查,为择机着陆火星做好准备。

 

 

 

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国家科技重大专项之“嫦娥”探月工程

 

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2020年国家重大科技成就层出不穷:

  • 北斗卫星导航系统完成部署;
  • 高分专项对地观测卫星全部完成部署;
  • 首次自主火星探测器“天问一号”发射;
  • 嫦娥五号月球取样返回;
  • “奋斗者号”载人潜水器成功坐底马里亚纳海沟;
  • “九章”量子计算机验证了量子优越性;
  • ……

很有很多重大成就没有列出来,以上只是列举了航天领域和其他几个我比较感兴趣的领域。这些接二连三的重要成果并非偶然。随着经济的发展,国家对科学技术的投入也越来越大。今年恰逢2006-2020国家中长期科技发展纲要中的国家科技重大专项的收官之年,同时也是十四五计划的收官之年,许多举足轻重,意义特别重大的科技项目都是在2020年完成。

国家科技重大专项

国家科技重大专项是国家为了保障对关乎国家安全和发展的关键重大科技项目的投入而设置的制度性的政策,以确保财政的持续有力的支持。这一政策在国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中首先明确提出,并同时确立了16个国家科技重大专项,在文件中只公开了其中13项。这些重大专项包括:大型飞机,高分辨率对地观测系统载人航天与探月工程北斗卫星导航系统,等等。其中与航天相关的就有好几项。

在这份纲要中,还指出:

历史上,我国以“两弹一星”、载人航天(注:即921工程)、杂交水稻等为代表的若干重大项目的实施,对整体提升综合国力起到了至 关重要的作用。

由此可见国家科技重大专项的定位之高。

随着第一批科技重大专项的任务基本完成,国家在2016年十三五规划时就已经考虑到新一批重大专项的部署预研等问题。在中共中央、国务院于2016年印发的《国家创新驱动发展战略纲要》中,提出:

在关系国家安全和长远发展的重点领域,部署一批重大科技项目和工程。面向2020年,继续加快实施已部署的国家科技重大专项,……(注:指的是2006年的16个重大专项,略)面向2030年,坚持有所为有所不为,尽快启动航空发动机及燃气轮机重大项目,在量子通信、信息网络、智能制造和机器 人、深空深海探测、重点新材料和新能源、脑科学、健康医疗等领域,充分论证,把准方向,明确重点,再部署一批体现国家 战略意图的重大科技项目和工程。面向2020年的重大专项与面向2030年的重大科技项目和工程,形成梯次接续的系统布局,并根据国际科技发展的新进展和 我国经济社会发展的新需求,及时进行滚动调整和优化。

可见国家对科技重大专项的承上启下布局十分重视。在2016年国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》中,进一步明确了如何部署新的重大专项(科技创新2030–重大项目):

面向2030年,再选择一批体现国家战略意图的重大科技项目,力争有所突破。从更长远 的战略需求出发,坚持有所为、有所不为,力争在航空发动机及燃气轮机、深海空间站、量子通信与量子计算、脑科学与类脑研究、国家网络空间安全、深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统、种业自主创新、煤炭清洁高效利用、智能电网、天地一体化信息网络、大数 据、智能制造和机器人、重点新材料研发及应用、京津冀环境综合治理、健康保障等重点方 向率先突破。按照“成熟一项、启动一项”的原则,分批次有序启动实施。

其中,在航天领域,因之前的载人航天和探月工程等重大项目的成功完成,且航天技术在国家安全中起到的不可或缺的作用,其后继延续项目“深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统”理所当然得到顺利立项。“天问一号”火星探测器在今年发射深空就是探月工程顺理成章的延伸。

而载人深潜器项目也因非常成功,后面有望从国家第二层次的支持项目“国家重点研发计划”升级到第一层次的“国家科技重大专项”,即“深海空间站”项目。量子科学领域也将新立项国家科技重大专项“量子通信与量子计算”。

自2015年以来,国家的科技计划体系逐步完善整合成五大类:

  1. 级别最高的“国家科技重大专项”,对标“两弹一星”工程,支持力度强(每年数十亿到上百亿的经费),项目规划跨度一般为15年,具有重大战略意义,并且严格控制专项数量;
  2. 国家重点研发计划:整合了原863计划和973计划等一系列计划,属于第二梯队;
  3. 国家自然科学基金:第三梯队,对科研最全面广泛的支持;
  4. 技术创新引导专项(基金);
  5. 基地和人才专项。

要得到国家科技重大专项的立项,必须得到中央的拍板,都是经过多轮反复的预研论证的。

2016年8月前后,网上一度对我国究竟要不要建大型对撞机讨论的沸沸扬扬。德高望重的杨振宁先生发表文章鲜明地表达了反对立项的意见。这一项目的建造费用以千亿计算,费用之高,比很多已立项国家重大科技专项还多,且丝毫没有多少可预见的实质成果,完全不具有战略意义。国家文件中“有所为有所不为”的指导原则可以说完全断绝了这一项目获得国家重大支持的可能。

明年,十四五计划和新的一轮15年跨度的国家中长期科学和技术发展规划纲要将要发布,从中将可以了解“国家科技重大专项”的部署进展。

嫦娥五号月球采样返回

2020年11月24日4时30分,嫦娥五号由长征五号成功发射送入了预定轨道,入轨精度很高。整个嫦娥五号探测器总重约8吨。

发射当天22时06分,嫦娥五号探测器3000N发动机工作2秒,完成第一次轨道修正。

11月25日22时06分,嫦娥五号探测器两台150N发动机工作6秒,完成第二次轨道修正。

由于轨道精准,原计划的第三次轨道修正取消。

11月28日20时58分,嫦娥五号探测器经过约112小时奔月飞行,在距月面约400公里处成功实施3000牛发动机点火,约17分钟后,发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断,嫦娥五号探测器近月制动正常,顺利进入环月轨道。

11月29日20时23分,嫦娥五号探测器在近月点再次“刹车”,从椭圆环月轨道变为近圆形环月轨道。

11月30日凌晨4时40分,在科技人员精确控制下,嫦娥五号探测器着陆器和上升器组合体与轨道器和返回器组合体顺利分离。轨道器和返回器组合体将继续在平均高度约200公里的环月轨道上飞行并等待上升器交会对接。

12月1日22时57分,嫦娥五号着陆器和上升器组合体从距离月面约15公里处开始实施动力下降,7500牛变推力发动机开机,逐步将探测器相对月球速度从约1.7公里/秒降为零。12月1日23时11分,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面西经51.8度、北纬43.1度附近的预选着陆区。

12月2日22时,经过约19小时月面工作,探月工程嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样,并已按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。

12月3日23时10分,嫦娥五号上升器3000N发动机工作约6分钟,成功将携带样品的上升器送入到预定环月轨道。这是我国首次实现地外天体起飞。

12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接,并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中。这是我国首次实现月球轨道交会对接。(见下图)

12月6日12时35分,嫦娥五号轨道器和返回器组合体与上升器成功分离,进入环月等待阶段,准备择机返回地球。(见下图)

12月12日9时54分,嫦娥五号轨道器和返回器组合体经历了约6天的环月等待,实施了第一次月地转移入射,从近圆形轨道变为近月点高度约200公里的椭圆轨道。

12月13日9时51分,嫦娥五号轨道器和返回器组合体实施第二次月地转移入射,在距月面约230公里处成功实施四台150牛发动机点火,约22分钟后,发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断,轨道器和返回器组合体成功进入月地转移轨道。

12月14日11时13分,嫦娥五号轨道器和返回器组合体上两台25N发动机工作约28秒钟,顺利完成第一次月地转移轨道修正。

12月16日9时15分,嫦娥五号轨道器和返回器组合体上两台25N发动机工作约8秒钟,顺利完成第二次月地转移轨道修正。

12月17日1时59分,探月工程嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆,标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。凌晨1时许,北京航天飞行控制中心通过地面测控站向嫦娥五号轨道器和返回器组合体注入高精度导航参数。此后,轨道器与返回器在距南大西洋海平面高约5000公里处正常解锁分离,轨道器按计划完成规避机动。凌晨1时33分,嫦娥五号返回器在距地面高度约120公里处,以接近第二宇宙速度(约为11.2千米/秒)高速进入地球大气层,实施初次气动减速。下降至预定高度后,返回器向上跃出大气层,到达最高点后开始滑行下降。之后,返回器再次进入大气层,实施二次气动减速。在降至距地面约10公里高度时,返回器打开降落伞完成最后减速并保持姿态稳定,随后在预定区域平稳着陆。负责搜索回收任务的测控与回收系统技术人员及时发现目标,有序开展回收工作。

全球地外取样排名(2020年版)

之前在多篇博文中对全球卫星导航系统、深空测控网等进行了排名。这里,我们也对地外取样进行简要排名。

目前,只有三个国家进行过月球采样返回,分别是美国的阿波罗计划多次载人登月进行的采样,前苏联的3次无人采样,和我国的嫦娥五号。我们这次采样1700多克月壤也远超过了前苏联的总量,同时也是1976年后时隔44年后人类再次从月球采样返回。

此外,人类还对小行星、彗星等进行过采样。

日本的隼鸟1号和隼鸟2号(Hayabusa)对小行星进行了采样返回。在嫦娥五号返回地面前的12月6日,隼鸟2号也刚刚从小行星“龙宫”采样返回,在澳大利亚着陆。日本由于自身条件限制,小行星采样的深空测控要借助美国NASA的深空网,着陆也要和澳大利亚合作。

美国的 Stardust (星尘号)彗星探测器1999年发射,2004年和彗星Wild 2交会,2006年带回星际尘埃。

美国2001年发射的 Genesis(起源号)空间探测器收集到少量太阳风粒子于2004年返回。

人类已经完成的地外采样任务就以上屈指可数的几次。其他一些尚未完成或计划中的地外采样不在此列举了。

综上所述,全球国家的地外采样排名为:1、美国,2、中国,3、日本。

不复存在的国家前苏联和没有能力进行地外采样的俄罗斯当然榜上无名。

 

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2020年欢乐跑中国全民健身10公里欢乐跑中山小榄站

 

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受到疫情的影响,本来应该在上半年举办的欢乐跑中国10k广州站暂停。随着疫情已经在中国完全控制住,下半年比赛又逐渐有序地开展起来。

2020年11月9日,看到欢乐跑中国10k启动了本年度的比赛,要举办中山小榄站比赛。我不多犹豫就报了名,并支付报名费60元。并通知好友 C 老师报名。

这个系列比赛的主体运营单位好像发生了改变,原来的瑞士盈方似乎退出了,现在由中奥体育运营,系列比赛的官网域名也换成了 http://www.zhongaosport.net/。另盈方的母公司万达体育今年初已经把旗下另一家公司铁人三项卖了。

 

 

 

 

报名后不久,先在 booking.com 平台预定了一间离起点很近的酒店,并先提前买好了往返小榄的高铁城轨票。

11月27日,比赛前一天晚8时,坐高铁(城轨)抵达中山小榄。出站后,使用 C 老师推荐的微信花小猪打车叫了一辆网约车到酒店。因稍早前抵达小榄的 C 老师帮我领了比赛包,我就不用去领取参赛包了,约定第二天早上和 C 老师汇合。

疫情中的旅行

虽说疫情在国内已经基本完全消灭,只有偶尔零星出现的境外输入案例。但由于全球疫情仍有愈演愈烈的趋势,国内防控也一点不掉以轻心。这次去中山跑步,才第一次亲身体验到国家对旅行的一些基本防控措施。

一是高铁站都部署了自动红外测温的机器,且从广州南进站,或从中山小榄出站,都必须扫粤康码。

二是抵达酒店入住时,还必须扫码查阅手机运营商过去14天的记录。手机运营商的数据显示我过去14天都在广州,不属于高风险地区,所以可以顺利入住酒店。

由此可见,我国当前的防控措施和对可能出现的新冠新病例的追踪能力是全世界其它任何一个国家都无法做到的。

久违的路跑赛事

28日早上6点30分和 C 老师约好在起点旁一个路口碰面。之后便一同去存包,进入候跑区拍照留念和等候起跑。早上略有点凉意,非常适合长跑。

奏国歌后,大概6点59分鸣枪起跑。前1公里和 C  老师一同跑,后面就跟不上他的步伐了。路线非常简单,从小榄金融中心基本是沿一条直道一路向北跑到小榄菊花园,然后折返至起点,全程约11.3公里。

前半程都没有喝水点,只有折返后才有两个,我都取水喝了。我基本一直保持6分钟每公里的配速,自己用宜准手表记录到的成绩为1小时9分19秒。完赛后不久,收到赛事组委会的短信,枪声成绩为1小时9分42秒,净成绩为1小时9分7秒。前10公里的成绩约1小时1分左右,在超过10个月没有跑的情况下跑出这个成绩,也是相当满意,和我自己赛前根据自身情况所预测的结果也比较一致。

此外,注意到有一个“中国梦跑团”10多人整齐排成一列纵队,首尾的两名队员都举着跑团的旗子,另有一位领队背着扩音器播放着一些振奋人心的歌曲。这个跑团从头到尾基本都以6分左右的配速跑,和我的配速基本一致。我在头1公里左右注意到他们,后来超过他们了,最后一两公里,他们又追上来了,还是保持着非常整齐的一字纵队,令人感觉到他们的团队的一股正面向上的力量。

完赛后,取回存衣包,领取完赛奖牌和赛后食品饮料后,就步行回酒店洗澡了。

赛后从下午开始有轻微的大腿前后肌肉酸痛现象,但还不至于到下楼梯动作变形的程度,这也比较符合我的预期。

在年初就出现新冠疫情的情况下,今年我居然还能够参加第二次路跑赛事,令人感到意外。此次赛事之后,我在环珠江出海口的七个城市(香港、深圳、东莞、广州、中山、珠海、澳门)都参加过路跑比赛了。去年上半年,我曾报名在小榄镇旁边的中山古镇半马,可惜因各种原因未能成行。今年终于补上了未在中山跑步的空白。而在今年的小榄10公里欢乐跑的第二天周日,恰好也举办了今年的古镇半马赛事。

11月30日周一,大腿酸痛现象基本消失,同时也在官网下载到完赛电子证书,上面显示我净成绩排名482名。

 

 

 

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全球载人深潜器排名(2020年版)

 

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2020年我国科技事业好消息不断。除了正在进行中的我国首次自主火星探测任务,我国的“奋斗者号”载人深潜器近日连续多次在地球上最深的马里亚纳海沟成功坐底,坐底深度10909米,是全球有史以来第四个载人深潜器下潜到万米以下的深度。过两天,嫦娥五号就要从文昌发射场升空,执行我国首次从月球采样返回任务,这真是实现了毛主席在《水调歌头·重上井冈山》一词中的畅想:可上九天揽月,可下五洋捉鳖

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“奋斗者号”载人深潜器是“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”专项的一部分,由中国船舶集团的七〇二研究所制造,是继“蛟龙号”、“深海勇士号”之后的新一代载人深潜器。7000米级的“蛟龙号”已经交付自然资源部直属的位于青岛的国家深海基地管理中心使用,而4500米级的“深海勇士号”则交付位于三亚的中科院深海研究所使用。

今后,我国的深海探索研究有望得到最高级别的国家科技重大专项的资助,将建立有人常驻千米以下海底的深海空间站。

以下对全球各国的载人深潜器技术进行排名。

(一)中国

随着“奋斗者号”成功通过验收,中国的载人深潜正式跃居世界第一。

“奋斗者号”可载三人,是全球万米级载人深潜器中载人能力最大的,也是深海作业能力最强的。

据《科技日报》的报道:

第二阶段海试验收于2020年10月10日开始在西太平洋马里亚纳海沟海域实施。截至11月16日,“奋斗者”号共开展了12次下潜,其中7次下潜超过10000米,于10月27日首次突破万米,于11月10日创造了10909米的中国载人深潜新纪录。11月13日,借助项目支持的由中科院深海科学与工程研究所和中央广播电视总台牵头研制的“沧海号”着陆器及视频直播系统,完成了世界上首次载人潜水器与着陆器在万米海底的联合水下拍摄作业,并通过央视总台向全社会进行了视频直播。

此后,在奋斗者号11月19日的一次下潜中,我国女科学家贺丽生也执行了万米深潜。据公开资料,她是全球第二位深海下潜超过一万米的女性。

再加上我国还拥有“蛟龙号”、“深海勇士号”两型适应不同深度的载人深潜器,综合实力毫无疑问位居世界第一。

 

(二)美国

美国是目前除了中国之外,唯一有能力载人深潜至万米海底的国家。

历史上,马里亚纳海沟一共只有四艘载人深潜器成功坐底(无人深潜器亦有若干次,包括我国的和“奋斗者号”一同深潜的“沧海号”等)。

  1. 1960年,瑞士设计、意大利建造、美国海军所有的 Trieste 号。坐底测得深度10916米。
  2. 2012年,加拿大导演James Cameron 乘坐向澳大利亚公司定制的 Deepsea Challenger 号坐底10908米。
  3. 2019年,美国富豪探险家 Victor Vescovo 乘坐自己投资建造的 Limiting Factor 号两次坐底马里亚纳海沟,录得深度10927米。这是他环球坐底五大洋的最深处探险计划的一部分。
  4. 2020年,我国奋斗者号海试多次坐底,录得深度10909米。

除了我国的奋斗者号,之前的三次万米级深潜都是探险猎奇成分较大,科研作业成分较少。且 Limiting Factor 最多搭载两人,其作业能力不如奋斗者号。考虑到这些因素,美国只能屈居第二。

而美国的常规作业型载人深潜器只有美国海军的 Alvin 号,始建于1964年,最大深潜深度为4500米,现在计划改造升级到具备下潜6500米能力。

(三)日本Shinkai6500

日本现有的载人深潜器为“深海6500”号,顾名思义,深潜能力为6500米,下潜深度一度位列全球作业型的载人深潜器首位。不过早就被我国7000米级别的“蛟龙号”超越,就更不用说“奋斗者号”了。

 

 

 

 

 

 

 

深海6500由日本海洋研究开发机构和三菱重工共同设计建造。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(四)法国

法国现役载人深潜器 Nautile 号(鹦鹉螺号),下潜深度约6000米。

(五)俄罗斯

俄罗斯有继承了前苏联的和平一号和和平二号(Mir),能下潜6000米,已退役。新建的有 Konsul 号,可载两人下潜至6000米。

除了以上五国,没有其它国家的载人深潜器能下潜至4000米以下的深度。

 

 

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天问一号第三次中途修正

 

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10月28日,天问一号完成了第三次中途修正。之前的两次中途修正分别在轨验证3000N的主发动机和一组120N的发动机。这次继续在轨验证了一组8个25N发动机。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

另外有一点不同的是,之前的中途修正都是北京飞行控制中心的科技人员完成,而这一次则是由西安卫星测控中心负责。

天问一号的奔火征程大概过了一半,要到明年2月左右抵达火星。

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跑步总结(十四)

 

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继续半年一次的跑步总结。但是受到新冠疫情的影响,一些线下的跑步比赛也是最近一两个月才慢慢重新举办。以往在上半年举行的广州10公里比赛今年也暂停了,不过12月举行的广马继续举办,今年取消了半马项目,首次改成纯全马比赛,总参数人数为2万人。因此我也没有报名广马。

同时,可能由于疫情导致从今年2月起,几乎每天都在家里完全不出门,到了5月底,出现后腰部剧疼现象,每次疼几个小时甚至一整天,疑似肾结石。6月初两次去医院检查,B超也未见明显结石,医生判断有小的结石,故也只是建议大量喝水。到了7月中旬后,后腰右侧疼痛现象就再也不再出现,基本自愈了。

因此,还是必须保持运动,跑步还得继续。

以下是这半年的跑步逐月记录:

  • 2020年5月:0公里
  • 2020年6月:0公里
  • 2020年7月:大学城路跑1.5公里
  • 2020年8月:0公里
  • 2020年9月:0公里
  • 2020年10月:0公里

所以,这半年几乎跑量为零。从手机记录的每月的日平均走路步数也可以看出疫情的影响。3、4、5三个月的日平均步数都在1000步以下。6月份幼儿园开学后,6、7、8三个月的日平均步数分别是3000,4000和5000多。到了9月份全国高校都开学后,9、10两个月的日平均步数都增长到8000多了。但是久不跑步,体重又稳定在了68公斤左右的,一度甚至超过了70公斤。

 

 

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天问一号完成深空机动

 

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作者:杨超

(图片资料全部来自网络)

飞向火星的路途是漫长的,我们来继续关注天问一号火星探测器的最新动态。除了之前了两次中途修正外,偶尔也有其它场合官方会透露一些天问一号的飞行状态。


 

7月23日,天问一号从海南文昌发射场升空,由长征五号火箭直接送入地火转移轨道。

7月28日,天问一号距离地球150万公里,离开地球引力范围。

8月2日,第一次中途修正,3000N主发动机工作20秒。

8月28日,飞行里程达到1亿公里。

9月18日,在中国航天大会上(大会原定在4月24日开的,因疫情推迟),火星探测工程总设计师张荣桥透露了当前天问一号飞行里程达到1.55亿公里。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9月20日,第二次中途修正,4个120牛发动机工作20秒。

10月1日,国庆节当天,行星探测工程放出了一张天问一号的深空自拍照。这是通过从探测器上分离出一个小型照相机实现的。照相机及时通过 WiFi 把图片传回天问一号,再由天问一号把照片传回地球。

10月9日晚,3000N 主发动机工作480秒,完成深空机动。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

从下面的北京航天飞行控制中心的实时模拟画面看,相对于总里程5亿公里的路途,这次主发动机工作6分钟的深空机动也只是一个不太大的变化。可见要精确瞄准火星也是一件充满挑战的任务。

另外,我觉得北京航天飞行控制中心的这套太阳系模拟软件模块的3D渲染简洁明了,效果非常好。

 

 

 

最后来一张天问一号背影的艺术图。

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天问一号第二次中途修正

 

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作者:杨超

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。

除了天问一号、嫦娥系列,我国的其他卫星平台、天宫、神舟飞船、还有远征系列上面级等,都使用这类从490牛到7500牛不等的推进系统。因为其推力比较小,最大的还不到1吨(1万牛才约折合地球海平面1吨的推力),所以其发动机一般采取比较简单且可靠性更高的循环方式:挤压循环(pressure-fed cycle)系统。见下图远征一号。

而长征二、三、四号的芯一级和二级发动机YF-20系列,还有长征四号的三级发动机YF-40,虽然也是采用有毒的肼类推进剂,但因为推力更大,则是用略微复杂的燃气发生器循环(gas-generator cycle)系统。俄罗斯的同类毒发 RD-276(或称RD-275M) 则采用了分级燃烧循环,用于质子号火箭上。俄罗斯也有让质子号逐步退役的计划,但其替代品安加拉号研发进展不太顺利。

我国的氢氧发动机,老一代长征三号的三级上使用的YF-75,和新一代的长征五号一级YF-77,也是采用较为简单的燃气发生器循环设计。长征五号的二级 YF-75D则采用了膨胀循环(expander cycle)设计。国际上氢氧机的最高水平以美国的RS-25为代表,采用复杂度和技术含量最高的高压补燃循环设计,英文中也称之为分级燃烧循环(staged-combustion cycle)。美国另外两款主要的氢氧机 RS-68 和上面级用的 RL-10 则分别采用燃气发生器循环膨胀循环

液氧煤油机方面,我国长征五号助推器和长征七号芯一级的 YF-100 发动机,采用了水平较高的高压补燃循环。美国SpaceX的猎鹰火箭一级和二级Merlin发动机则采用了较为简单的燃气发生器循环设计。另一家美国/新西兰公司的小型电子火箭则采用了可能更加简单的电子泵循环(electric pump cycle)。液氧煤油机的最高水平则以前苏联传给俄罗斯的 RD-170/171(貌似已退役的乌克兰天顶号,退役的前苏联能源号助推)、RD-180(美国Atlas V火箭)、RD-181(美国诺格公司的Antares火箭)、RD-191(俄罗斯新一代Angara火箭)、RD-120(用于天顶二级,我国进口过两台)等为代表,都是采用高压补燃循环。而中型火箭联盟号一级的 RD-107/108 发动机则是燃气发生器循环

液氧甲烷发动机,我国也有研发。但使用液氧甲烷的火箭还未首飞,所以就先不列出此类发动机了。

以上这些火箭发动机的不同的循环设计,主要以推进剂如何进入发动机的主燃烧室的不同的动力方式来分类的。挤压循环,顾名思义就是挤进去。而上面提到的其他四类循环,则都是使用了简单的电子泵或复杂的涡轮泵结构。

言归正传,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,2012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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