天问:向火星进发

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  首次火星探测行动
  2020年7月23日,我国用自主研发的新一代最大运载火箭——长征五号,成功发射了火星探测器——“天问一号”,计划一次性实现对火星开展环绕探测、着陆地表和实地巡视三大目标。这将是全世界首次火星探测三合一计划,而这也是我国首次火星探测行动。
  火星与地球同为绕日公转的行星,虽然是地球的近邻,但相距十分遥远,并且各自运行速度不同,因此,向火星发射探测器,必须选择它与地球距离最近的时机,而这样的机会每隔26个月才有一次。这个时机火星与地球的相对位置,形象地被称为发射窗口。2020年是非常好的窗口期,除了我国还有其他国家也在跃跃欲试。
  探测器升空进入外太空后,渐渐远离地球,重力几乎为零,不受任何引力的束缚,基本上是自由自在地做惯性运动,很少消耗燃料。经过长途飞行,探测器将于2021年2月进入火星的引力场范围内,受火星的吸引而着陆火星。因此,探测器能否被火星的引力场捕获十分关键,这需要探测器不断修正轨道,找准时机,主动与火星牵手。如果捕获失败,探测器将与火星擦肩而过,沦为太空中的“流浪者”,一切努力会前功尽弃。
  当飞行器被成功捕获后,它就进入火星环形轨道,再按照地面发去的指令,调整位置和姿态,就像侦察卫星环地球运行那样,开始环绕探测作业,获取火星上的气象、地质和天文资料,并转换成电波信号发回地球,通过科学家分析研究,初步探明火星表面情况。
  惊心动魄的7分钟
  “天问一号”在奔向火星的漫漫旅途中,一直高速飞行,着陆前只有把速度降下来,才能平稳落到火星表面。在接近火星时,它必须在7分钟内将时速从2万千米降到落地时为零,并完成安全降落和着陆。这段时间虽短,但最惊险、最艰难,直接关系整个任务的成败。
  人类的火星探测起步于1 960年,到2020年6月底,全球共实施了44次探测火星活动(其中美国21次、苏联及后来的俄罗斯19次),其中仅成功24次。所以,探测火星十分不易,主要原因是火星距地球遥远,环境复杂,一旦发生问题,数据传输时延太大,需要探测器自主应对。
  火星整个着陆过程分为四步:首先是气动减速,高压气罐突然向飞行相反方向放气,产生一个强大的反推力,把速度从4.8千米/秒减速到460米/秒,相当一个空中急刹车;接着,降落伞打开,在1.5分钟内速度再减到之前的1/5;随后进入动力减速阶段,反推火箭点火,开始反向喷射烟气,再次产生一个反推力,将速度降到像人骑自行车那样;剩下的最后1 00米,采用特定的制動手段,把速度减得更慢。这时,离火星已经近在咫尺,着陆器在慢慢降落的同时,对火星表面进行观察,为选定着陆点做准备。如果发现大坑或巨石,它要调整位置避开,确保安全落地。
  使命重大的火星车
  “天问一号”探测器由环绕器和着陆巡视器两部分组成。
  环绕器是前面提到的沿火星环形飞行的探测装置;着陆巡视器是实地勘探装置,将在火星表面软着陆,并释放火星车。火星车类似于月面探视装置——月球车,这个有两张饭桌大的家伙,具有超级智能机器人的本领,能在火星表面自主行走,并用光谱仪和相机等6种先进仪器进行精细巡视、拍照和重点勘查。到时候,我们通过火星车发回的信息,来证实火星上有河流、古生物化石,甚至外星人等传闻,一些不实传言将不攻自破,并获得新发现和可靠的天文知识。
  火星上的一天比地球稍长,大约是24小时37分钟。火星车的设计寿命为火星上的90天,也就是地球上的3个月。在这段时间内,火星车的命运存在许多未知,将受到意想不到的火星天气和宇宙环境的严峻挑战,比如火星车会遇到什么地形,能否安全行驶,遇到尘暴用什么手段躲避,这些都值得人们拭目以待。
  对可能出现的问题,除了科技人员事先做猜想性研究外,还要根据届时发回的信息,随机妥善处置,确保火星车顺利完成任务,安全度过具有非凡意义的90天。
  据悉,火星车内部有一个小型化学实验室,会把自行采集的岩石等样本放到里面进行光谱分析,测出化学成分。当然,火星车最为理想的使命,是把采集到的空气、土壤、水分等样品带回地球,作为研究火星的珍贵实物资料。
  人什么时候能上去
  火星很早就是人类寻找的移民目的地。火星与地球有许多相似之处。例如,地球上的一天是23小时56分钟,非常接近火星的24小时37分钟;地球公转轨道面和赤道面夹角是23°27’,火星是25°11’,有几乎相同的季节变化。这些相似性都表明,火星是适宜人类改造的最好居住候选行星,何况距离还如此之近。
  当然,火星不利于生存的条件也非常明显,比如气温寒冷,平均温度为-60℃~-40℃;再比如火星表面比地球表面具有较强的宇宙高能粒子辐射,引力只有地球的38%,大气压力仅为地球的1%。在移居之前,人类还需经过大规模的环境改造。
  再看旅程。搭乘飞行器去火星,按现在的技术实力,9个月才能到达,而且不能立即返回,在上面等待窗口期到来需两年多,因此往返时间接近4年。这期间,人处在火星险恶的环境里,生活保障和身体防护相当困难,所以改进飞行器、缩短往返时间,是实现人登上火星的关键。
  从目前看,载人登火星还比较遥远。专家预计,在2030年前后,我国将实施火星采样返回和木星探测任务。
  移民火星虽然遥远,但值得期待。
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