La prossima sonda cinese da lanciare verso Marte si chiamerà Tiān wèn-1 (天問一号), letteralmente “Domande celesti”, un classico della poesia cinese in cui l’autore, Qū Yuán (屈原, ca. 340–278 a.C.), si pone una serie di domande riguardanti il cielo, le stelle, i fenomeni naturali e il mondo reale, mettendo in discussione miti e tradizioni alla ricerca della verità.
L’annuncio è stato fatto dall’agenzia spaziale cinese CNSA lo scorso 24 aprile, in occasione del cinquantesimo anniversario del lancio del primo satellite cinese Dong Fang Hong-1 (东方红一号), lanciato il 24 aprile 1970 a bordo di un vettore Chang Zheng 1(长征系列运载火箭一号).
Il logo della missione rappresenta la lettera “C”, ripetuta tante volte quanto i pianeti del Sistema Solare rappresentati nelle loro orbite, e vuole significare Cina, cooperazione internazionale e capacità di esplorazione spaziale. Inoltre è stato comunicato che tutte le future sonde planetarie porteranno il nome Tiān wèn enfatizzando quindi il continuo impegno nella ricerca della verità.
Il programma della sonda Tiān wèn-1, noto fino a oggi con il nome di Huoxing-1 (火星探测器一号), letteralmente Marte, nasce nel 2014 come riscatto dal fallimento della sonda Yinghuo-1 (萤火一号) letteralmente “Fuoco luminoso” o “Pianeta scintillante”, che era a bordo della sonda russa Fobos Grunt, miseramente ricaduta nell’Oceano Pacifico nel gennaio 2012 dopo un paio di mesi in cui non riuscì a intraprendere il viaggio verso Marte. L’obiettivo di Yinghuo-1 prevedeva un anno in orbita marziana per poter osservare la superficie del pianeta, studiarne l’atmosfera, la ionosfera e il campo magnetico.
Nel dicembre 2014 gli organi governativi comunicarono la conclusione dello studio di fattibilità e venne confermata la formula orbiter, lander e rover, con massa totale di quasi 5 tonnellate e lancio tramite il nuovo vettore pesante Chang Zheng 5 (Lunga Marcia 5).
Obiettivi scientifici:
- studio approfondito della magnetosfera e ionosfera;
- studio del campo gravitazionale e dell’atmosfera;
- mappatura della superficie e delle tempeste di sabbia;
- analisi della composizione delle rocce;
- caratteristiche del suolo, distribuzione del ghiaccio d’acqua e dei minerali superficiali.
Obiettivi tecnologici:
- sviluppo e realizzazione di tecnologie per la navigazione interplanetaria, inserzione in orbita, ingresso in atmosfera, discesa frenata da paracadute, atterraggio controllato e operazioni di superficie;
- verificare la correttezza di una traiettoria di inserzione diretta dalla Terra;
- realizzare trasmissioni a lunga distanza utilizzando l’orbiter come relay.
Lancio
Il lancio della sonda avverrà a bordo del vettore pesante Chang Zheng 5 dallo spazioporto di Wenchang sull’isola di Hainan. La prima finestra di lancio è compresa tra il 10 e il 29 luglio 2020, con il giorno 19 come migliore scelta, mentre l’opportunità di riserva è compresa tra il 19 agosto e il 2 settembre, con miglior scelta esattamente a metà.
Dopo il lancio l’upper stage accelererà la sonda direttamente sulla traiettoria verso Marte, senza parcheggiarsi preventivamente in orbita terrestre prima della definitiva manovra di trasferimento interplanetaria.
Navigazione interplanetaria
Grazie all’esperienza acquisita durante le missioni Chang’e lunari, la navigazione interplanetaria della sonda sarà in parte gestita da Terra e in parte automatica, secondo la fase della missione. La navigazione ottica automatica sarà implementata a livello sperimentale per poter essere utilizzata, se l’accuratezza risulterà uguale o migliore di quella misurata da Terra, nelle missioni future.
Il sistema ottico sarà in grado di riconoscere pianeti, lune, asteroidi, stelle e costellazioni, misurando vettori, raggi apparenti e distanza focale e comparandoli alla mappa stellare in memoria per ottenere la propria posizione e velocità.
Inserzione in orbita e separazione
Nel febbraio 2021, dopo 7 mesi e oltre 200 milioni di chilometri di viaggio, Tiān wèn-1 si troverà a passare molto vicina a Marte e in quel momento avverrà la frenata che gli consentirà di essere catturata dall’influenza gravitazionale del pianeta. Inizialmente si inserirà in un’orbita fortemente ellittica con periodo iniziale di 11 giorni, ma ogni volta che la sonda tornerà al periasse attraverserà l’alta atmosfera venendo aerodinamicamente frenata e questo gli consentirà di circolarizzare sempre di più l’orbita, che alla fine avrà un periodo di 2 giorni. In questa orbita di parcheggio, nel momento in cui la sonda sarà vicina all’equatore del pianeta, avverrà la separazione del lander, che effettuerà l’atterraggio, mentre l’orbiter rimarrà in orbita marziana.
Orbiter
La sonda madre pesa 3.175 kg e svolge tre compiti: portare il lander/rover fino a Marte, eseguire la successiva missione di osservazione orbitale e fungere da ripetitore per le comunicazioni Terra/rover/lander.
Strumenti scientifici di bordo:
- fotocamera ad alta risoluzione (0,5 m/px) con campo inquadrato di 9 × 9 km da 260 km di altitudine;
- fotocamera a media risoluzione (100 m/px) con campo inquadrato di 400 × 400 km da 400 km di altitudine;
- radar per la mappatura del sottosuolo con capacità di raggiungere 100 m di profondità, con risoluzione di 1 m, operando con frequenze comprese tra 10–20 MHz e 30–50 MHz;
- spettrometro nel visibile e vicino infrarosso per l’analisi della composizione delle rocce;
- magnetometro;
- analizzatore di ioni e particelle neutre.
Discesa in atmosfera marziana e atterraggio
Come russi, americani ed europei hanno dimostrato in passato, i pochi minuti che intercorrono tra l’ingresso in atmosfera e l’atterraggio sono considerati i più rischiosi e delicati dell’intera missione.
Per superare indenni questa fase il lander e il rover sono protetti da una capsula di ingresso atmosferico dotata di scudo termico, sistema di propulsione a razzi, sistema di paracadute, sensori e sistemi di comunicazione. La frenata aerodinamica continuerà fino a 10 km di quota e 400 m/s di velocità, dopodiché il compito verrà svolto dal grande paracadute primario. All’apertura del paracadute verrà sganciato anche lo scudo termico inferiore, con conseguente inizio della scansione della superficie tramite radar a microonde e laser.
A 2 km di quota e 80 m/s il lander si separerà dal guscio, iniziando autonomamente la discesa controllata tramite un propulsore a razzo di potenza variabile.
Avvicinandosi alla superficie il lander continuerà a scansionare sempre più nel dettaglio la zona di atterraggio, scegliendo alla fine la zona maggiormente pianeggiante e libera da ostacoli.
La tecnica è già stata sperimentata dalle sonde lunari Chang’e 3 e 4, confrontando istantaneamente le immagini 3D ad alta risoluzione del terreno con i dati ottenuti dal radar.
A un metro dal suolo il propulsore verrà spento, lasciando quindi cadere il lander, il cui impatto con la superficie verrà attutito dalle sospensioni delle quattro zampe di atterraggio.
Sito di atterraggio
Il sito di atterraggio specifico non è ancora stato rivelato ma, considerando che il rover funzionerà con pannelli fotovoltaici, le condizioni medie di luce, la presenza di polveri, la complessità del terreno, l’altitudine, la velocità media del vento e il valore scientifico, la zona di atterraggio sarà sicuramente nell’emisfero boreale, compresa tra i 5° e 39° di latitudine nord.
Il lander non avrà solo il compito di portare il rover sulla superficie ma avrà anch’esso a bordo alcuni strumenti scientifici quali:
- fotocamere per le riprese della topografia della superficie;
- fotocamere multispettro;
- radar per la mappatura del sottosuolo operante con frequenze comprese tra 55 e 1.300 MHz, con capacità di raggiungere i 10 m nel suolo e 100 m nel ghiaccio;
- sensori di temperatura, pressione, velocità e direzione del vento;
- microfoni per la registrazione dei suoni di superficie;
- sensori per lo studio del campo magnetico.
Rover
Derivato direttamente dai due rover lunari Yutu (2013 e 2019), il rover marziano ha una massa di 240 kg, è lungo 2 metri, largo 1,65 e alto 0,8. Come i suoi predecessori è provvisto di sei ruote motrici indipendenti ed è alimentato da pannelli fotovoltaici.
A causa del ritardo nelle comunicazioni con la Terra il rover ha capacità di navigazione autonoma e, oltre ai sistemi di comunicazione e controllo termico, è equipaggiato con una serie di strumenti scientifici quali:
- fotocamera stereoscopica per la navigazione;
- fotocamera multispettro ad alta risoluzione per i rilevamenti topografici;
- radar per la mappatura del sottosuolo fino a 100 metri di profondità;
- analizzatore spettroscopico laser della composizione del suolo, simile al LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) del rover Curiosity statunitense;
- magnetometro di superficie;
- spettrometro infrarosso;
- microscopio;
- strumenti meteorologici.
Gli obiettivi primari sono la ricerca di biomolecole e tracce di forme di vita passate o presenti, studio della superficie e dell’ambiente marziano.
Per affrontare eventuali tempeste di sabbia il rover è in grado di porsi autonomamente in uno stato di semi ibernazione, per poi risvegliarsi in condizioni meteo migliori.
La previsione dei progettisti è che il rover operi per almeno 90 giorni, supportato dall’orbiter che farà da ponte per le trasmissioni da e verso il controllo missione a Terra.
Tiān wèn-1 sarà il primo passo nell’esplorazione cinese di Marte, cui farà seguito, negli anni ’30, una missione che riporterà sulla Terra dei campioni di suolo. Il lungo lasso temporale tra le due missioni è causato dai tempi di sviluppo e realizzazione del vettore super pesante CZ-9 (comparabile ai Saturn V, N1, Energia e SLS), necessario per lanciare un orbiter da 5 t e un lander da 2,5 t, comprensivo di veicolo per decollare da Marte e ritornare sulla Terra.
