刚刚,天问一号着陆器搭载祝融号火星车成功降落在火星北半球的乌托邦平原。在绕火星运行运行3个多月后,天问一号终于向一次性完成“绕落巡”的成就再进一步。不久,祝融号火星车就会展开太阳能面板,在火星表面行驶。届时,对于“火星是否存在过生命或能支持生命的环境”和“火星演化和太阳系的起源与演化”这两个天问,祝融号火星车又将给出怎样的答案?
环球科学编辑部 报道
去年7月23日12时41分,长征五号遥四运载火箭搭载“天问一号”火星探测器升空,开启了它前往火星的征程。今年2月10日20点50分左右,在经过200多天,4.6亿公里的飞行之后,“天问一号”终于停泊进入火星环绕轨道。而今天早上8时许,天问一号着陆器终于带着“祝融号”火星巡视车成功降落火星表面,我国首次自主发射的火星探测任务再一次取得阶段性成功。
祝融何处去
在过去三个月的时间内,“天问一号”一直在观测和收集火星的相关数据,以确定最终着陆的准确地点,而最终落点就选择在火星北半球的乌托邦平原南端。
火星南北半球地表情况差异巨大,南半球多为高地,60%的高地面积覆盖着大大小小的陨石坑,不适合探测器着陆。而北半球则以低矮平原为主,陨石坑较少,地层较薄,地质年龄年轻,乌托邦平原就是其中一处合适的着陆地点。1976年9月,美国“海盗二号”火星探测器曾降落在那里,发回了霜冻现象的照片。而近期的科学探测又发现,在火星乌托邦平原距离地面1~10米的浅表底层下方有大量地下水冰存在,储水量相当于地球面积最大的淡水湖——苏必利尔湖。科学家在十几年前才确定火星上有水存在,乌托邦平原的科学价值显而易见。
为了着陆火星,在与“天问一号”轨道器分离后,着陆器需要调整自身姿态,以最合适的角度进入火星大气层。软着陆火星并不是一件容易的事。地球上航天器着陆时,因为地球上大气层较为稠密,可以用降落伞将速度降低到安全的水平,在火星上却不是这样。火星大气密度仅有地球的1%,着陆火星的计划只能分为四个阶段进行。
第一个阶段时气动减速阶段,着陆器用隔热罩直接以4.8 km/s的速度“撞击”火星大气层,在290秒的时间内将速度降低到460 m/s。第二个阶段是伞系减速阶段,探测器将在超音速的情况下打开降落伞减速,用约90秒的时间减速到95 m/s。第三阶段是动力减速阶段,着陆器开启反推火箭发动机,在80秒内将速度降到3.6 m/s以下。在着陆器距离火星表面仅有100米高时,会进入着陆缓冲阶段。着陆器这时会开始悬停,自主观察火星表面,快速计算出最佳着陆对答案,最终水平移动到该点上方,伸出“四条腿”,并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。
从4.8 km/s减速到0的过程不过几分钟,在这期间着陆器需要控制升力、超音速开伞、抛隔热罩、抛背罩、悬停、避障、着陆缓冲等一系列操作。而远在3亿公里外的我们,就连电磁波信号到达那里都需要17多分钟,根本不可能对它进行控制,一切都需要交给探测器自行决断。
伟大的征程
祝融是上古神话中的火神,而今天“祝融号”终于登上了以五行之火命名的火星。火星车“祝融号”高1.85米,重240千克左右。“祝融号”整体大小和一张桌子近似,有六个独立悬挂的轮子,并以太阳能供电。
火星距离太阳更远,辐照强度仅有地球的43%,平均气温在-60摄氏度左右,最低可达-120摄氏度,而其大气的对流甚至还会让“祝融号”更容易散失热量。稀少的能量输入和对保温的迫切需求,对“祝融号”的能源供给产生了巨大的挑战。除此之外,火星尘埃还会削弱太阳能板的发电能力,根据美国“勇气号”的实测数据,太阳能面板能量供应日衰减率为0.1%~0.3%。而为了实现90天的实验探测周期,“祝融号”采用了火星光谱匹配、防尘的太阳电池,针对火星大气进行了隔热设计,还有直接利用太阳能的供热集热器。
正是依靠这些技术,“祝融号”才能顶着巨大的能源压力,配备了地形相机、多光谱相机、火星车次表面探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪这些探测器。
为了将科学数据传回地球,“天问一号”轨道器扮演了“祝融号”的信号中继。但地球想要和“天问一号”轨道器联系,则需要深空网。深空网由巨大的天线组成,我国目前在全球各地有3个深空站,分别是喀什深空站、佳木斯深空站和阿根廷深空站。深空站必须分布在全球各地,这样才能保证“天问一号”轨道器在和地球通信时我们总能收到信号。
通常来说,火星探测有三种方式:在轨道上绕火星飞行进行较远距离探测的环绕器,降落到火星表面,原地进行探测和实验的着陆器,以及能在火星上运动的巡视器(火星车)。不久后,展开太阳能板,驶下着陆器的“祝融号”,在火星表面展开为期90天的火星探测任务,这将使我国成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家,也是唯一一个一次性完成“绕落巡”的国家。
天问问什么
“遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?”屈原的《天问》开篇就问了一连串宇宙的问题。2000多年前的屈原自然难以得到问题的答案,而2000多年后的今天,“天问一号”探测器就是为了回答这些问题。天问一号主要要解决的科学问题主要有两个——“火星是否存在过生命或支持生命的环境”和“火星演化和太阳系的起源与演化”。
目前人类已知的生命都离不开水,面对火星生命相关的问题,大多数研究主要寻找的证据就是火星上水存在的证据。“祝融号”也是如此,它上面的次表层探测雷达可以探测火星表面(剖面)的土壤结构,探查火星水冰存在情况。
除了生命,“祝融号”还要回答关于火星本身的问题。火星曾经拥有和地球类似的磁场,但是后来不知为何磁场消失,在太阳风的轰击下火星也逐渐变成了今天这个荒凉的样子。“祝融号”上的火星表面磁场探测仪和火星气象测量仪将会回答这些问题。而火星表面的成分又是怎样变成今天这样,稀薄的大气对其造成了哪些影响,则可以用火星表面成分探测仪和多光谱相机来确认。当然,地形相机还能给我们带来一些火星表面的彩色照片。
当然,这些科学问题不会只由“祝融号”来回答,“天问一号”轨道器在“祝融号”着陆后依然会执行它的科学任务,在火星轨道上和“祝融号”一同研究这些问题。