作者:付丽丽 来源:科技日报 发布时间:2020/7/16 9:09:05
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成功率不足一半 人类“探火”为何步步惊心

 

当前,备受瞩目的多国探测火星行动已经陆续拉开帷幕。受天气状况影响,阿联酋火星探测器“希望号”将发射任务推迟到7月17日进行。我国火星探测器“天问一号”目前已经运抵文昌航天发射场,按预定计划,发射将于7月23日左右进行。

事实上,相对于火星探测而言,人类对月球探测已经做了大量尝试,成绩斐然。1959年1月2日,苏联成功发射“月球一号”,拉开了人类探月的序幕;1969年,美国宇航员阿姆斯特朗登月,他的一小步迈出了人类巨大的飞跃;1994年,美国发射的“克莱门汀”探测器,获得了当时最详细的月球表面图像,并发现月球南极可能存在大量水冰;2011年和2013年,美国先后发射探测器,精确测量了月球重力场,并分析了月球稀薄的大气组成等;2019年,我国“嫦娥四号”第一次实现人类探测器月球背面着陆和巡视探测。

距离人类首次登月已经过去了50多年,而火星依旧人迹未至。那么火星探测与月球探测究竟有哪些区别呢?

历史上火星探测成功率仅43%

火星是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星之一,一直以来都是人类深空探测的热点。从60年前,人类就开启了对火星的探险之旅。

1960年10月,苏联向火星先后发射了两枚探测器“火星1A”号和“火星1B”号,但可惜的是,“火星1A”号发射之后第3级火箭点火失败,仅飞至地面120千米高就报废了,“火星1B”号的火箭引擎直接爆炸,空中落下的碎片甚至污染了整个拜科努尔发射场。

美国对火星的探索也是开端不利,1964年,刚刚成立不久的美国国家航空航天局(NASA)发射了“水手3号”火星探测器,当穿过地球大气层时,探测器的一个保护盾未能推出,结果所有的探测仪器都没能打开,美国的第一次尝试也宣告失败。

1964年10月,美国“火星4号”火星探测器向地球传回了人类史上第一张有关火星表面的最近距离的图像,同时回传的还有500多万个比特的科学信息,可以说这一次任务开启了人类空间探索的新时代。

然而接下来的几年,苏联向火星附近发射探测器又经历了几次失败,研制的“火星2号”探测器具备了登陆轨道的能力,但是在着陆过程中正遇上火星表面发生大规模尘暴,“火星2号”一头撞进火星上的盆地,本次行动以着陆器坠毁而告终。“火星3号”探测器登陆火星20秒后,就跟地球失去了联系。这与1992年NASA的经历相似,“火星观察者”号进入火星轨道后,也很快就失去了联系。

进入21世纪,用轨道器探测火星迎来了黄金时代。美国、欧洲航天局相继成功发射了火星探测器。印度也加入到火星探索竞赛中,发射了首颗“火星轨道任务”探测器。然而,人类探测火星

的征程并未就此一帆风顺。2011年,俄罗斯的“火卫一—土壤”星际探测器由于发动机出现故障,未能将其送入飞往火星的轨道,所搭载的中国火星探测器“萤火一号”也一同宣告“探火”失败。

有数据显示,自1960年以来,美国、苏联/俄罗斯、日本、欧洲和印度先后进行了44次火星探测项目,但成功和部分成功的任务仅有23次,完全成功率是43%,其余的项目都出现探测器撞毁、失灵或失踪了。什么是部分成功?全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩在接受科技日报记者采访时解释说:“如苏联‘火星3号’探测器,在降落火星后只发回20秒信号就失联了,有专家说成功,也有人说不成功。”

也许有人会问,月球探测成功率是不是更高一些?对此,庞之浩表示,月球探测成功率也不算太高,完全成功率约53%,尤其是早期,失败率也比较高。总体来讲,比火星成功率稍微高一些,由于统计方式不同,如对成功和部分成功的理解差异,所以出现有的统计结果是60%左右,也有统计结果显示为50%。

跟月球相比火星探测难在哪儿

在业界,火星被称为“探测器坟场”,其探测难度可想而知。

据庞之浩介绍,火星距离地球最远约4亿公里,最近也要约5600万公里,探测器抵达火星需要飞行这么长的距离,对发射、轨道、控制、通信、电源、入轨、着陆等技术都有很高要求。

在发射方面,火箭的运载能力、入轨精度和可靠性是实现火星探测的重要前提。月球探测器进入地月转移轨道的速度为10.9千米/秒。而火星探测器要进入地火转移轨道的速度必须达到至少第二宇宙速度(11.2千米/秒)才行。因此,发射同等质量的月球探测器和火星探测器时,后者必须用推力更大的火箭,使探测器直接进入地火转移轨道,否则就需要消耗探测器自身燃料和更长的飞行时间加速,这会影响到探测器寿命。

“火星探测最大的难点是在火星着陆,探测器要经历入轨、下降与着陆过程,这一过程通常被称为恐怖7分钟。”庞之浩说,在火星稀薄的大气环境下需要用7分钟将探测器速度从2万千米/小时降低到零,这需要包括气动减速、降落伞减速和反推减速等多种减速手段融合实现,每个环节都必须精准无误,其难度不亚于“在巴黎打一个高尔夫球要落到东京的一个洞里”。

庞之浩解释说,虽然火星大气密度只有地球的1%,但相比月球着陆,火星着陆时探测器多了一个进入大气层和打开降落伞的环节。由于火星大气层可以起到一定的减速作用,所以着陆减速需要控制得特别精准,何时进入,进入的姿态、角度等都不能有丝毫误差。然而,现在人类对火星大气层的了解还比较有限,再加上测控信号延时很长,进入火星大气层前调整姿态、角度和速度必须靠探测器自主执行。在探测器切入火星轨道过程中,如果切入点离火星过远,则不能被火星的引力捕获而掠过火星;如果切入点离火星太近,则可能坠毁于火星大气层。此外,进入火星大气层后,探测器也要自主准时开伞减速、准时切伞、准时抛底、准时悬停避障、准时关机等,稍有闪失就会导致失败。

由于距离遥远,火星探测器飞抵火星轨道需要260—320天,通信也是个大问题。庞之浩说,从地球发送到火星的无线电信号,单程延时为20分钟左右。同时,由于距离越远,信号就会越弱,再加上宇宙中的噪声干扰,这对信号收发技术是一个非常大的挑战。为了应对信号衰减问题,探测器需要装有高增益、高可靠通信设备,地面也要有直径很大的深空测控天线,以免探测器因通信故障而“迷失”。

如果前面一切顺利,探测器终于在火星上落了脚,但想要顺利开展工作也并非易事。庞之浩表示,在月球表面工作,月球车需要度过一个长月夜,一个长月夜相当于地球上的14天,温度最低可达到零下180摄氏度。而火星上温差没那么大,一天也是24小时。但火星上的沙尘暴很大,是地球上12级台风造成影响的6倍,这些飞沙会覆盖火星车的太阳能电池板,致使其无法正常工作。历史上,美国第一代和第二代火星车都是受沙尘暴影响而停止工作的。“这就需要充分提高能源的利用率,包括高效太阳能电池技术及高效蓄电池技术,提高能源系统功率质量比,如太阳能电池板尽量要大一些,光电转换效率要更高。”庞之浩说。

 
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