2020年7月23日,文昌衛星發射中心,長征五號運載火箭搭載“天問一號”探測器,點火升空,發往火星。

圖片:江程傑

早在上個世紀,美國就已經把人送上瞭月球,現在已經2020年瞭,隻是送一個探測器去火星,很難嗎?

答案是:難,而且很難!

為什麼?給大傢看兩組數字。

第一組:50%。

這是人類開始火星探測至今的60年裡,火星探測大致的成功率。是不是覺得還可以,至少有一半成功瞭?

那麼,看下對比:人類金星探測的成功率約77%,月球探測的成功率約76%,土星的泰坦衛星探測的成功率是100%,相比之下,探測火星確實很難,火星也被稱為“探測器墳場”。

第二組:5500萬公裡——4億公裡。

這是地球和火星之間的距離。最遠的時候,火星離地球的距離超過瞭4億公裡。我們每晚抬頭都能看到的月亮,月球距離地球有多遠呢?答案是36.3萬——40.5萬千米,地火距離是地月距離的幾百倍。

即使我們巧妙地選擇瞭發射窗口,能夠最省時到達火星,天問一號也將孤身一人在太空中飛行近6個月。而且這已經是我們能達到的最快速度,如果換乘900km/h的客機,飛同樣的路線起碼需要四五十年。

天問一號不僅要孤身一人走過這段很長的路,還準備挑戰“一次三連”——一口氣搞定環繞、著陸、巡視,為我們帶來更多對火星的認識。

那麼,要完成難度這麼高的任務,航天人和科學傢一定是全程密切關註、坐在電腦旁,對天問一號下達各種指令,進行精密操作吧?

然而,受制於通訊,天問一號在深空的大多情況下是無法被遠程協助的。

我們還是沒辦法實時操控奔赴火星的天問一號,主要還是因為地球到火星實在太遠瞭,信號傳輸需要時間。

當地球與火星處於最大距離時,通信信號光速傳輸單程就需要22分鐘!22分鐘的延時是什麼概念?想象一下這個場景——你開啟瞭一把緊張刺激的實時競技遊戲,開局,你發出瞭“請求集合”的信息,你的隊友們在22分鐘後,收到瞭這條莫名其妙的信息並看瞭看他眼中呆若木雞的你,看瞭看慘敗的戰績,點擊瞭“收到”並集體將你舉報。

也就是說,天問一號大多時候必須獨立作業。

可以這麼理解,她初次上場,剛出地球這個新手村,便被告知“你已經是一個成熟的探測器瞭,要盡量獨立解決前所未有的難題,我們已經把秘籍都傳授給你,帶著全村的希望,出發吧!”

那麼,這個“被迫成熟”的探測器是如何決勝千萬裡之外,進星趕考,獨當一面的呢?我們要結合著她的三個目標一起說:

目標一:火星環繞

顧名思義,就是一圈一圈環繞著火星並在過程中展開各項探測。

火星探測器飛行效果圖(圖片來源:國傢航天局)

想要進行環繞,就要先從地球到達目的地——火星軌道。這個難度相當於——從巴黎打一個高爾夫球,正好落到東京的某個球洞裡。靠奇跡嗎?不,靠科技——從地球飛抵這個軌道,探測器需要6至11個月的時間。

期間會受到太陽系內多個天體的引力擾動,還會受到太陽風、空間輻射的幹擾,探測器會通過內置的陀螺儀、天文導航、多普勒導航等多個儀器來對自身的姿態與位置進行確認,同時與地面超算平臺得到的軌道進行比對,進行調整。

而且,火星質量僅有地球的10.7%,與地球相比非常輕,引力影響范圍很小,所以,本來高速飛行的天問一號到瞭火星附近時,還必須及時剎車,準確滑入環繞火星軌道。這些動作不僅要一氣呵成,還不能出一點差錯,否則便是“星際迷航”,且沒有“回頭路”可言。

目標二:火星著陸

經過2—3個月的環繞,有瞭環繞時的測繪積累,天問一號對著陸區將會有更多瞭解,按照計劃,天問一號的軌道探測器和火星車、著陸平臺會進行分離,軌道探測器留在火星軌道繼續空中探測,火星車和著陸平臺將執行驚心動魄的第二個目標——在“探測器墳場”下降並著陸。

這可謂跨過鬼門關。在這無法人工幹預的短短八分鐘之內,探測器需要先把速度從每秒4.8千米降為0。火星著陸器需要隔熱罩,需要配備減速降落傘進一步減速,同時,還需要反沖發動機聯合工作。這個降落過程有超過1000個動作,全部靠探測器自主完成。

接下來,當距離地面100米時,它還要懸停。此刻,探測器相對地面的速度已經是0瞭,需要看一下地面有沒有坑、有沒有大的石頭,對這些障礙物進行規避,找到一個相對安全的位置,保證順利落地。

目標二的時間很短,大概有7到8分鐘,但卻是整個任務的關鍵和難度巔峰,人類一共有15次火星著陸任務成功進入瞭火星大氣層,但隻有8次任務成功著陸並順利開展探測工作,近一半的考生在這一關卡“名落孫山”。

目標三:火星巡視

火星車與著陸平臺平穩降落後,將在火星上走走看看,開展科學探測。

中國火星車概念圖(圖片來源:國傢航天局)

“天問一號”有五大科學目標,主要涉及空間環境、表層環境、地下淺表層結構等研究,火星車上攜帶的6種載荷將對相關科學問題開展探測,比如大氣環境測試儀,可以獲取火星溫度、風力等信息。

這些問題聽起來很枯燥,但其實我們關心的那些問題——比如,火星上有生命嗎?人類有可能移居火星嗎?,都需要通過研究這些科學問題,才能回答。可以說,天問一號在火星走出的每一小步,都是中國深空探測的一大步。

如果要說探測火星的意義,我想引用中科院院士萬衛星說過的話。

他說:“古往今來,人們世代思考 3 個最深邃的問題:我們從哪裡來?我們向何處去?我們在宇宙中是否孤獨?無論答案曾有過多少種,可以肯定的是,人們在地球上隻能窮盡證據,卻無法找到判據,因為“不識廬山真面目,隻緣身在此山中”。走出地球再回望,置身局外才能獲得更有意義的全新視角。因此,深空探測承載的不僅僅是人類對宇宙和自身的好奇,還有尋求判據的希望。”

今天,天問一號踏瞭上漫漫征途,就在兩個月前(5月20日),萬衛星院士病逝,沒能看到這一幕,但是天問一號仍然承載瞭他的殷切希望、承載瞭無數科研人員的汗水和淚水、承載著中華民族數千年的問天夢想、承載著我們最初的、無窮的想象和勇氣,上路!出發!

出品:科普中國

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