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火星探測有多難?中國做了哪些準備?一文回答你所有疑問

[ 來源:科普中國-科普融合創作與傳播 | 作者:本站 | 發布時間:2019-11-19 | 瀏覽:1217次 ]

出品:科普中國

制作:太空精釀

監制:中國科學院計算機網絡信息中心

2019年11月14日,中國首次火星探測任務著陸器懸停避障試驗在河北懷來地外天體著陸綜合試驗場進行。這也是中國火星探測器的首次公開亮相,國家航天局特意邀請了一些外國駐華使館及國際組織人員前來參觀。

測試中的火星著陸器(圖源;央視新聞)

試驗成功模擬了著陸器在火星環境下懸停、避障、緩速下降過程,這也基本意味著我國首次火星探測任務正在逐步成熟,能夠于2020年擇機實施。按照計劃,我國將在2020年7月——“火星探測時間窗口”進行一次發射任務,抵達火星后將實現“繞”、“著”、“巡”三大任務,進行火星全球性綜合探測,同時也會對火星表面重點地區精細巡視勘查,實現人類對鄰居火星研究的又一次重大突破。

中國人,距離首次觸碰火星,越來越近了!

為什么我們選擇火星?

人類如果想要沖出地球、達到下一個行星、甚至沖出太陽系,基本只能先從火星和金星兩個鄰居開始。它們和地球同處太陽系內的宜居帶內、同屬于巖質行星、擁有孕育生命的可能性。

然而,人類經過航天探索發現,金星環境實在太過惡劣:氣壓是地球的92倍,空氣中幾乎全是二氧化碳,并且布滿了稀硫酸云。地表溫度常年保持在460攝氏度,人類根本無法生存。

相較而言,火星的條件“優越”不少,幾乎是人類航天探索下一站唯一的選擇。

地球和火星尺寸對比(圖源:NASA)

第一,火星的潛在資源豐富。包括擁有太陽系第一大高山(奧林帕斯山)和第一大連續峽谷(水手號);陸地面積大,火星總表面積雖然僅有地球的28%左右,但需要注意,這可是純陸地,已經接近地球上人類生存的七大洲面積總和;火星上大氣雖然稀少,但是以二氧化碳為主,可以作為開發資源。

第二,多年的科研發現,火星南北極存在不亞于地球上格陵蘭島的淡水資源,土壤中廣泛存在2-3%的水分。“火星快車”任務甚至發現了疑似地下水湖,火星也存在一定有機物分子。

第三,火星引力較小、距離小行星帶和太陽系外圍空間更近,在火星上發射火箭和深空探測的總成本大大低于在地球發射,是人類未來深空探測發展中航天基地的不二之選。

如果人類航天的未來是宇宙的星辰大海,中國人沒有任何理由不去探測火星!

抵達火星有多難?近半數火星探測任務以失敗告終

早在上世紀60年代,處在冷戰“太空競賽”巔峰狀態的蘇聯和美國便展開了瘋狂的火星探測競賽。但大家很快發現:抵達火星實在太難了!

地球和火星距離變化

首先,火星實在太遠了。月球和地球的平均距離為38萬千米,對于人類而言,已經是極其遙遠的存在。但月球圍繞地球運動且軌道偏心率很小,與地球的距離相對穩定。

而火星距離地球在5000萬——4億千米左右,平均距離遠遠超過地月距離,并且這個范圍變化區間實在太大。在地球上,僅需0.13秒就能實現任意兩點的通信,地月之間則需要2.5秒,可是,當地球與火星處于最大距離時,即便是光速通信也會有44分鐘的延時。

地火距離和它的變化帶來了一系列新問題:

1.探測機會難得。即便是派出人類最快的探測器前往火星,也需要老老實實等待每隔780天、約26個月出現的一次地球、火星逼近的機會,這就是所謂的“火星探測窗口”,一旦錯過就需要等待兩年多。

2.需要強力火箭。探測器要實現環繞地球運動,需要擺脫空氣和一部分地球引力影響;如果想要前往更高軌道、甚至前往月球,需要擺脫更多地球引力影響;但如果前往火星,不僅需要完全擺脫地球引力、還需要擺脫太陽強大引力影響。這意味著更強大的火箭是探測火星的先決條件。

一次標準的霍曼轉移軌道

3.軌道設計復雜。由于人類火箭依然只能局限于化學燃料,能力有限。探測器飛往火星之旅只能選擇一個叫做“霍曼轉移”的方式,一種變換太空船軌道的方法,或它的略微改進版方式——“快速合點航線”。但這個過程耗時普遍在6-11個月不等,遠遠長于地月之間的3天左右。

同時,這些線路會受到太陽系內多個天體的擾動,還有太陽風、空間輻射等的復雜影響。此外,火星與地球并不處在同一平面內。深空探測任務往往“失之毫厘,謬以千里”,軌道設計難度可想而知。

4.探測器必須功能強大。一方面,探測火星的成本極高,如果只是進行簡單工程驗證并不值得,必須搭載各種科學儀器才能換回相應價值。另一方面,由于距離問題,探測器的深空通信、自主導航制導控制和自我故障檢測修復功能等必須獨立且強大,這進一步推高了成本。

5.抵達火星很難。探測器達到火星附近后,需要被火星引力俘獲。相比較地球而言,火星只是個小不點,質量僅有地球的10.7%,引力影響范圍很小,這要求探測器必須精準切入環繞火星軌道。同時,必須擁有強大的變軌能力,能完成改變軌道、大幅增加燃料需求。抑或是采取一種“刀尖上舞者”的方案:利用火星稀薄大氣摩擦減速,這個方案是典型的“玩火”。NASA于1998年發射的“火星氣候勘探者”號就不幸在大氣摩擦減速過程中被焚毀。

切入環繞火星軌道時不小心“玩火自焚”的“火星氣候勘探者號”任務(圖源:NASA)

6.需要復雜地面設施。火星探測任務非常遙遠,且與地球通信時間極其寶貴,這要求地球上必須有全天域覆蓋的強大深空通訊網絡。

因此,綜合下來探測火星的難度極大,幾十年來,火星探測成功的概率統計下來還不足一半。早期的成功率更是慘不忍睹,蘇聯在1960-1988年間進行了近20次探測任務,但沒有一次取得完全成功。即便是后來占據領先地位的美國,也是在進入21世紀前后,才迎來比較穩定的成功。

降落火星,更是難于上青天

而上述所說的,還僅僅是實現環繞火星的難點,要完成降落火星的任務,還需要克服一系列更復雜的問題。

1.火星大氣。火星僅擁有極其稀薄的大氣,含量甚至不足地球海平面平均密度的1%,但它卻成為讓科學家又愛又恨的存在。

愛在于:雖然大氣稀薄,但不像月球一樣近乎真空,科學家可以利用它產生的摩擦力對探測器進行減速。

恨在于:它依然可以產生非常多的熱量,高達2000攝氏度。但它的密度又不足以讓探測器完全減速,到最后還是需要反沖火箭發動機長期工作以實現懸停、避障、降落,也就是中國本次試驗的核心技術。

本次試驗探測器在火星低重力環境下懸停(圖源:中國青年報)

因而,一個火星著陸器既需要隔熱罩隔絕熱量,還需要配備減速、降落傘進一步減速,同時也要反沖發動機聯合工作,幾乎湊齊了人類現有的降落技術,整體設計難度陡增。

2.能量來源。火星距離太陽更遠,火星能接觸的太陽能僅是地球的44%左右。由于長期風化,火星上沙塵非常細密,缺乏溫室效應又導致火星不同區域氣壓差很大,進一步導致存在很強力的風,使得火星上經常出現沙塵暴,這也是導致去年“機遇號”火星車失聯的直接原因。因而,火星著陸器要么選擇太陽能,但要面對能量低、風險高的困難;要么選擇極其昂貴的核電池,且由于火星夜晚過于寒冷,必須攜帶熱源保溫。

3.通信問題。受限于著陸過程帶來的巨大成本和能量問題,地面著陸器不可能攜帶強有力、大功率的通信天線,也基本不可能直接與地球聯系,這意味著它和地球之間還必須有一個“烽火臺”進行“傳話”,要求必須在環繞火星軌道準備一個軌道器轉發信號。

4.自主導航。標準的火星著陸過程持續時間僅7分鐘左右,這甚至不足以完成一次地火通訊,這意味著全程超過1000個動作的降落過程必須依靠探測器自主完成,對軟件和硬件的要求極高。

好奇號火星車降落火星過程自主完成了超過1000個動作(圖源:NASA)

5.科研問題。定點著陸器有一個顯而易見的缺點:不能動。因而,能夠移動的火星車毫無疑問能大大豐富火星著陸任務的探測范圍和科研產出。但火星車實現自身著陸難度非常難、成本過高,需要根據任務目標和預算綜合考量。

因而,降落火星的難度,遠遠超過“上九天攬月”。

中國做了哪些準備?

相信讀到這里,大家一定已經充分理解了探測火星是一件多么困難的任務,一旦成功又將是多么偉大的成就,尤其是火星著陸任務。在大家看到11月14日這條新聞前,航天人已經為之做了無數的努力。

1.火箭方面:2015年,最強火箭長征五號已經實現突破,目前正整裝待發;

2.軌道設計方面:2012年,嫦娥二號探測器已經實現過飛越日地拉格朗日點(指衛星受太陽、地球兩大天體引力作用,能保持相對靜止的點)、飛越圖塔蒂斯小行星和進入深空7000萬千米的壯舉;

3.著陸技術方面:在有大氣情況下著陸,已經有了神舟1-11號飛船驗證;在無/稀薄大氣情況著陸,已經有了嫦娥三號和嫦娥四號任務;

4.深空通信地球方面:深空通訊網已經初步建成,還有萬噸級遠望號航天測量船輔助;

5.深空通信中繼方面:2018年中國發射了人類唯一的地月通信中繼衛星“鵲橋號”;

6.火星車方面:中國已有了玉兔號和玉兔二號月球車,其中玉兔二號已經工作近1年;等等。

中國2020年火星探測器組合體概念圖(圖源:國家國防科工局)

在這些周密的準備下,2020年中國火星探測任務終于迎來了目前的核心測試。按照計劃,它將在2020年7-8月的火星探測窗口從新建的海南文昌火箭發射基地乘坐長征五號,出發前往火星,同時實現“繞”、“著”、“巡”三步驟的任務。

1.軌道器主要負責將系統整體切入環繞火星軌道,進行全球勘探科研。用來研究火星全球磁場、表層元素、大氣和中性粒子、全球地貌(高程)等,同時作為地面著陸系統的通信中繼系統。

中國火星探測著陸器和火星車組合方案(圖源:國家航天局)

2.著陸器主要負責軟著陸過程,降落在火星表面,同時分析著陸點附近的情況,另一主要目標是釋放火星車。

中國火星車概念圖(圖源:國家航天局)

3.巡視器/火星車:自由巡視火星表面細節。包括,火星車底部裝有地表穿透雷達,可以研究火星土壤深處的元素分布情況。磁場感應設備,可以確認著陸和巡視區域的地表磁場情況。此外,重頭戲將是研究巡視區域的土壤和巖石主要成分,查看常規的水、元素構成,同時,有機物也是一個需要搜尋的目標。作為一個整體的系統,火星車也會攜帶有導航、避障設別、微距相機等,為我們帶來更多火星表面的細節。通訊設備、太陽能電池板、電池也是基本組成。

從整體組成來看,中國這一套組合有一定必要性,尤其是軌道器和著陸器的配合。此前中國已經有了“鵲橋號+嫦娥四號+玉兔二號”在月球實踐過的工程經驗,這套裝備也有足夠的工程可行性。然而,將它們融合且前往火星,也意味著難度會很大,如果順利實現,我們將創造人類火星探測史的新高度。就像嫦娥四號和玉兔二號是人類首次著陸月球背后的壯舉一樣,中國火星探測或許將再一次令世人驚嘆。

踏上火星,距離人類成為可跨越行星生存的物種將又進一步。我們期待這一天的到來!

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