近期,我国将用“长征五号”大型运载火箭发射首枚火星探测器“天问一号”,举世瞩目。 一次发射实现“绕着巡” “天问一号”火星探测任务的最大亮点是通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视三项任务,即一次完成“绕着巡”。这在人类火星探测史上是前所未有的。 采用这种“一举三得”的探火方式,起点高、效益高,但挑战大,目前只有美国完成过“一举两得”的探火方式。如果成功了,我国将在深空探测能力上实现跨越式发展,成为世界上第三个在火星着陆、第二个在火星巡视的国家。 △ “天问一号”火星车 至今,人类共实施了44次探火活动,其中完全成功的探测任务只有19次,成功率约43%;即使算上部分成功的,也仅仅只有23次,成功率约53%。所以,火星被称为“探测器坟场”。失败的主要原因是火星距离远、环境新,因此需要攻克一系列难关,每个环节都不能出现闪失,对于中国“天问一号”火星探测器来说更是如此。 为此,我国采取了多项新措施、新技术来应对挑战。 例如,发射火星探测器要用大推力运载火箭把探测器加速到至少11.2千米/秒的第二宇宙速度,直接进入地火转移轨道飞往火星,否则就需要消耗探测器自身燃料和较多的飞行时间来加速,从而会影响探测器寿命。印度在发射“曼加里安”火星探测器时,就是由于运载火箭推力小,所以“曼加里安”只能采用后一种方案,多花了很多时间和燃料才抵达火星。 我国将采用“长征五号”遥四运载火箭发射“天问一号”火星探测器。由于“长征五号”的地火转移轨道运载能力是5吨,而“天问一号”的质量为5吨,所以“长征五号”是可以把“天问一号”直接送入地火转移轨道的。 △ 长五遥四火箭在垂直转运中。(图源:国家航天局) 众所周知,地球和火星都是绕着太阳运行,地球在里圈运行,运行得快;火星在外圈运行,运行得慢。所以,地球与火星之间的距离是不断变化的,最近的时候有5500万公里,最远的时候在4亿公里以上。这比地球到月球的距离要远100多倍甚至1000倍。由于信号的强度与距离的平方成反比,而火星距地球太遥远,从探测器上发出电波经过几亿千米再传到地球后会十分微弱,再加上宇宙中的噪声,所以很容易把传输信号淹没掉。 △ 70米天线与火星探测器数据传输通信示意图 由于天线的直径和探测距离成正比,增大天线口径可以增加探测距离。为此,我国探火的测控通信网采用了直径较大的收发天线。这次参与遥测、遥控“天问一号”火星探测器的深空测控系统主要有黑龙江佳木斯66米直径天线测控站和新疆喀什35米直径天线测控站等,以及甚长基线干涉测量(VLBI)分系统和必要的国际联网等。我国还在天津武清新建了一个主反射面直径70米的高性能接收天线,这是亚洲最大的单口径全可动天线,它能可靠地接收“天问一号”发回来的科学数据,并进行处理、解译和研究。 △ 4月25日,由中国科学院国家天文台承建的首次火星探测工程地面应用系统在天津武清站成功实施,完成了70天线反射体的整体吊装。 攻克“恐怖7分钟”难关 探测器在火星表面软着陆是火星探测中最难的,要经历“恐怖7分钟”,先是气动减速段,然后是伞降减速段,接着是动力减速段,最后是着陆缓冲段。这几个阶段都必须严格按程序执行,否则“满盘皆输”。 为了安全着陆火星,2019年11月14日,我国在位于河北怀来亚洲最大的地外天体着陆综合试验场,成功模拟了着陆器在火星重力环境下(火星重力加速度约为地球的1/3)悬停、避障、缓速下降的过程,对其设计正确性进行了综合验证,也为火星探测任务的如期实施奠定了坚实的基础。 由于火星环境复杂、恶劣,探测器在着陆后也不是万事大吉。例如,因为火星探测器远离太阳,它所受到的太阳辐射强度大大减弱;而且火星上温度很低,赤道上的平均温度只有-23°C,这些对火星车的能源系统、温控系统等提出了很高的要求。 据我国火星车专家贾阳撰文介绍,我国火星车除装有光电转换效率较高的4块太阳电池板外,在其顶部还装有一个像双筒望远镜样子的设备,叫作集热窗,它可以直接吸收太阳能,然后利用一种叫作正十一烷的物质储存能量。白天,火星温度升高,这种物质吸热融化,到了晚上温度下降,这种物质在凝固的过程中释放热能,这样效率可以达到80%以上。 探索人类未来“第二个家园” 火星是太阳系中与地球最相似且距离较近的行星。例如,火星的一天约为24.6小时,与地球十分接近;火星自转轴与公转轨道面倾角约为65°,所以存在四季变化,这也和地球相似;火星大气很稀薄,以二氧化碳为主,压力大约只有地球的1%;虽然火星表面温度平均仅为-63℃,但夏天阳光直射区域温度可以上升到约20℃,赤道附近的极端最高温度则有可能达到30℃左右。 因此,从全人类的高度讲,探测火星、了解火星的起源和演化,有助于人类进一步认识地球和太阳系的形成和演化,预测地球的未来变化趋势,促进人类对地球生命乃至太阳系的起源和演化的研究,以及了解人类在宇宙中的地位和最终命运。 了解火星本身也很重要。因为大量迹象表明,火星以前很可能与目前的地球一样,只是经过几十亿年的演化才变成大气层稀薄、温度较低、水源枯竭等今天这个样子。所以不少天文学家推断,火星可能是地球的未来。因此,深入探测、了解火星,对研究地球的演变,防止它变成人类难以生存的家园具有促进作用。 从更长远看,地球将来很有可能会遭受地外星球的撞击而毁灭。因此有些科学家认为可先把火星改造成适合人类居住的第二个家园,然后向火星移民。为此,现在就必须逐渐全面而深入地了解火星才行,为改造火星、建造火星基地奠定基础、做好准备。所以,探测火星意义重大。 “天问一号”使用大量“黑科技” 近些年来,随着科技、经济的飞速发展,我国已在月球探测方面取得了长足的进步,为技术难度更大的火星探测奠定了坚实的基础。通过探测火星,能深化我国对火星乃至太阳系的科学认知,推进比较行星学等重大问题研究,掌握火星的第一手信息,加速我国重大原创性的空间科学成果问世,为人类全面而深入认识火星做出自己的贡献,使我国由火星知识的使用国逐步变成火星知识的产生国。 “天问一号”的环绕器携带了7台科学载荷,可用于对火星开展全球性、普查性综合探测,并为巡视器提供中继通信链路;火星车携带了6台科学载荷,可用于在着陆区开展区域性、精细性巡视探测。所以,从科学上讲,“天问一号”是对火星形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等进行研究的最全面的任务。 △ 着陆巡视组合体的工作过程:着陆火星、分离火星车、火星车开展巡视探测。 另外,通过“天问一号”探测火星,不仅能极大拓展我国对火星的认知,而且可以牵引和带动我国航天和相关高科技技术的快速发展。这次火星探测起点很高、难度极大,必须采用许多新技术才行,因此它带动了不少新技术、新材料和新器件的发展,促进了大批创造性的发明和技术应用。 据悉,在“天问一号”火星探测器中,就使用了我国独立自主研发的多项“黑科技”,例如,火星车使用的热控材料是新型保温材料——纳米气凝胶,它很轻,隔热性能很好。这些新技术、新材料和新器件等反过来又可用于国计民生,为国家经济社会发展、人类生活质量改善提供源源不断的创新活力。 作者 / 庞之浩 (航天专家,中国空间技术研究院研究员) 编辑 / 张雪松