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一文看懂有关火星探测的所有知识

2020-07-24 18:15   来源: 人民网-科普中国   编辑: 龙昱丹   责任编辑: 高赛琦

北京时间7月23日12时41分,我国在海南文昌发射场成功发射“天问一号”火星探测器。

 对于火星探测,你是不是还有很多问号?

从历史到现实,从技术难点到解决方案,在这篇文章里,我们将向你详细述说人类探索火星的故事。

一、历史篇

1. 为什么要探测火星

仰望苍穹,漫漫宇宙中,我们是否孤独?是否在另一个星球上,也存在着和我们相似的生物和文明?

众多星球中,火星是备受关注的一颗。它是太阳系中从内往外第四颗行星,地球的邻居,与地球非常相似,直径约为地球的一半,质量约为地球的11%,火星日的长度与地球相当,而火星年的长度约为地球年的2倍。不少专家认为,火星曾经可能具有和地球相似的环境。因此开展火星探测和研究,不仅有助于探究火星,也有助于借此探究地球的过去和未来,为人类寻找可能的未来家园。

2. 人类对火星的认识

火星,看起来偏红,荧光像火;它看起来的亮度经常发生变化;而且火星在天空中运动时,甚至会逆行,令人难以捉摸,古书上称之为“荧惑星”。

望远镜发明后,第一个使用望远镜观测星空的伽利略看到了火星,像一个小红点。随着望远镜的发展,人们可以分辨火星的一些细节特征。1877年,意大利天文学家斯基亚帕雷利发现火星地表从暗区延伸出许多线条,他称之为“水道”,后来被翻译成英文中的“运河”。1894年,一位富有的波士顿商人洛厄尔对“火星运河”很痴迷,他使用60厘米口径的望远镜探索火星,认为自己在火星上也看到了运河,并深信不疑。1908年,他出版了一本书《生命的栖居地——火星》。他在书中提出,在遥远的过去,火星上曾出现智慧生命,由此创建了一个科幻小说写作的新流派。

1938年的万圣节,一位美国喜剧演员奥尔森?威尔斯利用电台,将科幻小说中的一些情节,以紧急通告的方式发布——火星人已经攻击美国,在新泽西就有目击者。这可吓坏了几百万的美国人。

直到20世纪50年代,人们对火星人的恐惧才得以消停。人们对火星有了更多的科学认识,这些认识表明火星不可能存在地球生命,因为那里太冷太干燥。但是,火星和地球之间的相似之处如此有趣,很难排除火星上有其它形式生命存在的可能性。

那时,科学家和工程师们想要知道火星上是否有生命或者人类是否可以抵达火星,但技术上存在障碍。1957年,苏联发射成功首颗人造卫星,震惊了全世界,打开了太空探索的前沿。

借由火星探测器,我们知道了,火星上拥有太阳系最大最长的峡谷之一——水手峡谷,横跨大半个火星,长约4000千米,深达7千米。火星拥有太阳系最高的山峰——奥林帕斯火山,高度超过2万米,是地球上最高山峰珠穆朗玛峰的海拔高度的3倍多;我们对火星地表成分也有更多了解,找到了火星上水的痕迹。

二、技术篇:如何去往火星?

如何去往火星呢?先让我们回顾下如何离开地球。这件事就要从1665年的伦敦大瘟疫说起了:那时剑桥三一学院的牛顿在乡下自我隔离。传说中有一天牛顿在苹果树下思考时被一颗苹果砸中了脑袋,接着联想到月亮从没掉下来过,由此发现了万有引力定律。笔者一直很好奇这个传言的细节,而且高度怀疑牛顿被砸的那一刻可能只想着要把苹果有多远扔多远,有图为证!

我们都知道扔苹果的时候,用力越大,出手速度越快,苹果就扔得越远,但它早晚会掉到地上。那我们扔得再用力点,速度再快点呢?显然,它可以被扔得很远。理想假设下,只要出发速度够快,从北极扔到南极也未必不可能!如果我们再用力点呢?苹果就可以飞跃南极,甚至回到北极,回到我们出手的那个位置,接着再来“亿”遍。于是我们知道了,当苹果被扔出的速度超过某个速度时,它不再掉回地球,而环绕地球作圆周运动。这个速度被科学家们称之为“第一宇宙速度”(环绕速度),在地球上是7.9 千米/秒。月球绕着地球做高速圆周运动,这正是月亮不会掉下来的主要原因。

要离开地球的话,第一宇宙速度还不够,我们需要再加速,加速到第二宇宙速度(逃逸速度)约11.2 千米/秒。这时候才可以离开地球,那么需要付出的代价是什么呢?以阿波罗计划为例,运载火箭土星五号的全重是3000吨,仅能运送45~48吨的飞船到地月转移轨道,值得一提的是它在燃烧第一级时,每秒钟就烧掉13吨燃料,足够一辆家用小汽车绕地球四圈。

离开地球之后就可以踏上前往火星的道路了吗?还差点。

事实证明有个好的路线规划是能省很多燃料。1925年,沃尔特·霍曼博士就提出了利用太阳引力的霍曼转移轨道,这条线路最省能源。

他的思路是在地球轨道和火星轨道之间找到一条环绕太阳的椭圆路线。这个椭圆与地球轨道外切,同时与火星轨道内切。以出发时的地球为近日点,相对于太阳的速度最大,达到32.7千米/秒,以到达时的火星为远日点,相对于太阳的速度最小,只有21.5千米/秒。全过程只需要做两次加速,一次离开地球轨道,进入霍曼转移轨道,另一次离开霍曼转移轨道,进入火星轨道,需要从21.5千米/秒,加速到火星的公转速度24.5千米/秒。

不用做太多加速看起来很省燃料,但也真的很花时间。由于各探测窗口不同,各探测器使用的火箭性能和飞行方案不同,最终探测器的飞行距离达4到7亿千米,要飞行6到11个月不等。实际情况也很复杂,中间需要做很多的计算,只有大型专业的航天机构才能完成。

对此,《下一站火星》中有这样一个比喻:

“这有点类似让一个人在滑翔机上(运动速度较快的地球)扔(发射)一粒小石子(探测器), 在提前很远的地方(发射窗口),中间有风和空气影响(恒星和行星等各种引力源), 准确穿过地面一辆左右前后运动(火星围绕太阳运动轨道倾角不同,有大偏心率)的小汽车(运动速度较慢的火星)天窗(引力影响范围,希尔球)后,再掉到司机的水杯里(环绕火星轨道)。 即便不考虑着陆,探测火星的难度已经可想而知。”

飞行的时间长是一个方面,另一方面等待离开地球进入霍曼转移轨道的时机,也就是发射窗口,也很漫长。按霍曼的要求,这一时间窗口约每26个月才会出现一次,如果错过了就又是一次漫长的等待。而最近的发射窗口就是今年的7到8月份。

三、难点篇:火星探测很难,为什么?

火星探测任务一般可分为环绕、着陆和巡视三类。环绕任务,即发射环绕火星运行的探测器,例如欧空局火星快车号、NASA的火星勘察轨道器;着陆任务则是使探测器着陆到火星上去,例如美国宇航局的凤凰号、洞察号探测器;巡视任务即能够在火星上进行巡视勘探的火星车,例如美国宇航局的旅居者号、勇气号、机遇号和好奇号火星车。

1960年,前苏联向火星发射了火星1A号探测器,它是人类探测火星的开端。1964年,美国成功发射水手4号火星探测器,它是历史上首个成功到达火星的探测器。从1960年的火星1A 号到2018年“洞察号”,人类共进行了40多次火星探测任务,包括了环绕、着陆、巡视任务,其中成功的任务仅占到约一半。那么,火星探测为什么这么难呢?

难点1——探测器发射窗口少

月球探测每年都有窗口期;火星距离地球非常遥远,每隔约26个月才有一次“火星探测窗口”,因此一旦错过窗口期,就只能再等两年。

难点2——测控和数传面临的困难大

放风筝的时候,风筝飞得再高,还有一根线在手中,那么,在飞向火星的漫漫长路上,探测器和地面之间也有“一根线”吗?

有的,这就是测控和数传。

测控和数传指的是地面测控站与探测器保持通讯,即利用地面测控系统对探测器进行定轨定位,利用地面台站向探测器发送遥控指令,接收探测器的科学探测数据。

深空测控通信的难点可以概括为信号空间衰减大、信号传输时延长、信号传播环境复杂以及高精度导航困难[2]。

难点2.1 信号空间衰减大,接收信号弱

深空探测器的测控通信需要面临距离遥远带来的一系列问题,探测器测控通信通常采用无线电信号进行信息传输,而无线电波以光速向外辐射,强度按照传播距离的平方衰减,故距离信号的发射源越远,强度越低[2]。

火星探测器和地球之间的距离非常遥远,最远达到4亿千米,是地月距离的1000倍。探测器发射的信号,通过遥远的距离传输到地球上的时候,信号强度已经严重衰减,通常采用更大口径的天线来接受微弱的信号。

原标题:关于火星探测的所有问号,这篇文章都给你拉直

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