七月为什么这么让人上“火”?

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  2020723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。

  

  地球与火星(图源:维基百科)

  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。

  

  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。

  

  火星探测器飞行效果图(图片来源:国家航天局)

  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611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78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。

  

  中国火星车概念图(图片来源:国家航天局)

  “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、 “天问一号”首席科学家万卫星说过的话。

  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(520日),万卫星院士病逝,中国火星探测计划的“主帅”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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