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已经2020年了只是送一个探测器去火星很难吗

导读 2020 年 7 月 23 日,文昌卫星发射中心,长征五号运载火箭搭载天问一号探测器,点火升空,发往火星。早在上个世纪,美国就已经把人送
2020-07-24 10:43:30

2020 年 7 月 23 日,文昌卫星发射中心,长征五号运载火箭搭载“天问一号”探测器,点火升空,发往火星。早在上个世纪,美国就已经把人送上了月球,现在已经 2020 年了,只是送一个探测器去火星,很难吗?答案是:难,而且很难!

为什么?给大家看两组数字。

第一组:50%。

这是人类开始火星探测至今的 60 年里,火星探测大致的成功率。是不是觉得还可以,至少有一半成功了?

那么,看下对比:人类金星探测的成功率约 77%,月球探测的成功率约 76%,土星的泰坦卫星探测的成功率是 100%,相比之下,探测火星确实很难,火星也被称为“探测器坟场”。

第二组:5500 万公里——4 亿公里。

这是地球和火星之间的距离。最远的时候,火星离地球的距离超过了 4 亿公里。我们每晚抬头都能看到的月亮,月球距离地球有多远呢?答案是 36.3 万——40.5 万千米,地火距离是地月距离的几百倍。

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即使我们巧妙地选择了发射窗口,能够最省时到达火星,天问一号也将孤身一人在太空中飞行近 6 个月。而且这已经是我们能达到的最快速度,如果换乘 900km/h的客机,飞同样的路线起码需要四五十年。

天问一号不仅要孤身一人走过这段很长的路,还准备挑战“一次三连”——一口气搞定环绕、着陆、巡视,为我们带来更多对火星的认识。

那么,要完成难度这么高的任务,航天人和科学家一定是全程密切关注、坐在电脑旁,对天问一号下达各种指令,进行精密操作吧?

然而,受制于通讯,天问一号在深空的大多情况下是无法被远程协助的。

我们还是没办法实时操控奔赴火星的天问一号,主要还是因为地球到火星实在太远了,信号传输需要时间。

当地球与火星处于最大距离时,通信信号光速传输单程就需要 22 分钟!22 分钟的延时是什么概念?想象一下这个场景——你开启了一把紧张刺激的实时竞技游戏,开局,你发出了“请求集合”的信息,你的队友们在 22 分钟后,收到了这条莫名其妙的信息并看了看他眼中呆若木鸡的你,看了看惨败的战绩,点击了“收到”并集体将你举报。

也就是说,天问一号大多时候必须独立作业。

可以这么理解,她初次上场,刚出地球这个新手村,便被告知“你已经是一个成熟的探测器了,要尽量独立解决前所未有的难题,我们已经把秘籍都传授给你,带着全村的希望,出发吧!”

那么,这个“被迫成熟”的探测器是如何决胜千万里之外,进星赶考,独当一面的呢?我们要结合着她的三个目标一起说:

目标一:火星环绕

顾名思义,就是一圈一圈环绕着火星并在过程中展开各项探测。

想要进行环绕,就要先从地球到达目的地——火星轨道。这个难度相当于——从巴黎打一个高尔夫球,正好落到东京的某个球洞里。靠奇迹吗?不,靠科技——从地球飞抵这个轨道,探测器需要 6 至 11 个月的时间。

期间会受到太阳系内多个天体的引力扰动,还会受到太阳风、空间辐射的干扰,探测器会通过内置的陀螺仪、天文导航、多普勒导航等多个仪器来对自身的姿态与位置进行确认,同时与地面超算平台得到的轨道进行比对,进行调整。

而且,火星质量仅有地球的 10.7%,与地球相比非常轻,引力影响范围很小,所以,本来高速飞行的天问一号到了火星附近时,还必须及时刹车,准确滑入环绕火星轨道。这些动作不仅要一气呵成,还不能出一点差错,否则便是“星际迷航”,且没有“回头路”可言。

目标二:火星着陆

经过2—3 个月的环绕,有了环绕时的测绘积累,天问一号对着陆区将会有更多了解,按照计划,天问一号的轨道探测器和火星车、着陆平台会进行分离,轨道探测器留在火星轨道继续空中探测,火星车和着陆平台将执行惊心动魄的第二个目标——在“探测器坟场”下降并着陆。

这可谓跨过鬼门关。在这无法人工干预的短短八分钟之内,探测器需要先把速度从每秒 4.8 千米降为0。火星着陆器需要隔热罩,需要配备减速降落伞进一步减速,同时,还需要反冲发动机联合工作。这个降落过程有超过 1000 个动作,全部靠探测器自主完成。

接下来,当距离地面 100 米时,它还要悬停。此刻,探测器相对地面的速度已经是 0 了,需要看一下地面有没有坑、有没有大的石头,对这些障碍物进行规避,找到一个相对安全的位置,保证顺利落地。

目标二的时间很短,大概有 7 到 8 分钟,但却是整个任务的关键和难度巅峰,人类一共有 15 次火星着陆任务成功进入了火星大气层,但只有 8 次任务成功着陆并顺利开展探测工作,近一半的考生在这一关卡“名落孙山”。

目标三:火星巡视

火星车与着陆平台平稳降落后,将在火星上走走看看,开展科学探测。

“天问一号”有五大科学目标,主要涉及空间环境、表层环境、地下浅表层结构等研究,火星车上携带的 6 种载荷将对相关科学问题开展探测,比如大气环境测试仪,可以获取火星温度、风力等信息。

这些问题听起来很枯燥,但其实我们关心的那些问题——比如,火星上有生命吗?人类有可能移居火星吗?,都需要通过研究这些科学问题,才能回答。可以说,天问一号在火星走出的每一小步,都是中国深空探测的一大步。

如果要说探测火星的意义,我想引用中科院院士万卫星说过的话。

他说:“古往今来,人们世代思考 3 个最深邃的问题:我们从哪里来?我们向何处去?我们在宇宙中是否孤独?无论答案曾有过多少种,可以肯定的是,人们在地球上只能穷尽证据,却无法找到判据,因为“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。走出地球再回望,置身局外才能获得更有意义的全新视角。因此,深空探测承载的不仅仅是人类对宇宙和自身的好奇,还有寻求判据的希望。”

今天,天问一号踏了上漫漫征途,就在两个月前(5 月 20 日),万卫星院士病逝,没能看到这一幕,但是天问一号仍然承载了他的殷切希望、承载了无数科研人员的汗水和泪水、承载着中华民族数千年的问天梦想、承载着我们最初的、无穷的想象和勇气,上路!出发!

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