“螢火一號”的使命

沈羨云

準備啟程

近些年來，我國航天探測的喜訊不斷，繼我國實現(xiàn)載人航天和太空行走后，又開始向外星進軍?！版隙鹨惶枴钡某晒Ρ荚拢瑸槲覈虑蛱綔y打響了第一炮?，F(xiàn)在，一個更偉大的深空探險計劃又將起步了：今年10月6日至16日期間，我國的第一個火星探測器“螢火一號”將奔赴火星，行程3.5億千米左右，歷時10個月，預計2010年8月抵達火星軌道，開始獨立履行火星探測的偉大使命。這是我國火星探測“繞、回、落”“三步走”戰(zhàn)略中的第一步，也是繼載人航天工程、探月工程之后，我國首次開展的地外行星空間環(huán)境的探測活動。目前“螢火一號”正在莫斯科與俄羅斯火衛(wèi)一土壤探測器——“福布斯一格朗特”進行對接試驗，如果一切順利，將在火星離地球最近的時間窗口發(fā)射。

說起“螢火一號”名字的由來，還是起源于典故。由于火星呈紅色，熒光像火，亮度常有變化，中國古代將其稱為“熒惑”，有“熒惑火光，離離亂惑”的意思。所以，我國的航天工作者將中國的第一顆火星探測器命名為“螢火一號”。“螢火一號”火星探測項目是與俄羅斯合作開展的。根據(jù)中俄合作協(xié)議，“螢火一號”探測器將與俄羅斯的火衛(wèi)一“福布斯一格朗特”著陸探測器共同搭乘俄方的“天頂”號運載火箭上天。到達火星軌道后，“螢火一號”與“福布斯”將分道揚鑣，“福布斯”轉(zhuǎn)途探測火衛(wèi)一，并登陸采集火衛(wèi)一的土壤返回地球；“螢火一號”則進入繞火星的橢圓形軌道，展開太陽帆板，正式開始履行它的火星探測使命?！拔灮鹨惶枴贝畛硕砹_斯運載火箭的原因是火星探測在技術(shù)上要求很高，要想讓探測器脫離地球的引力場，其速度必須達到第二宇宙速度(>11.2千米／秒)。同時，運載火箭在飛行過程中要多次關機、點火，這對火箭的要求很高。目前，我國的火箭還不具備此能力，故搭載俄羅斯的火箭，為我國今后的自力更生火星探險先探探路。

肩負的任務

與美國的火星探測器“勇氣號”、“機遇號”(重180千克)，以及計劃將要發(fā)射的新型火箭車(重600千克)相比，“螢火一號”算得上是火星探測器家族中的“輕騎兵”、“小個子”，因為“螢火一號”長和寬只有75厘米，高為60厘米，它的體重也只有110千克。但是，如此小巧玲瓏的身體上卻長出了3對大“翅膀”，其展開后可達7.85米。這是因為火星上太陽光照強度低，只有地球的二分之一左右，帆板要足夠大才能給“螢火一號”提供充足的能量?；鹦翘綔y器進入環(huán)繞火星軌道后，探測器將在800千米至8萬千米的火星軌道上運行，它的體內(nèi)攜帶了等離子探測包、磁通門磁強計、掩星探測接收機、光學成像等4個種類的有效載荷，在火星軌道上將進行為期一年的科學探測活動。

“螢火一號”的主要任務有兩個。第一個是拍照和探測火星附近空間環(huán)境，為我國下一步火星探測打基礎?！拔灮鹨惶枴睌y帶的幾件“寶貝”就是為此服務的：光學成像儀將對火星和火衛(wèi)一進行攝影；等離子探測包可探測火星周圍的等離子態(tài)；磁通門磁強計可以了解火星外環(huán)境，測量火星上空的磁場強度、太陽輻射強度和高能粒子等等；掩星探測接收機是用“掩星法”來探測火星大氣層和電離層。

第二個目的是企圖破解火星表面水消失之謎?；鹦翘綔y最主要的目的之一是要了解火星上到底有無生命。水是生命的象征，因此，以前發(fā)射的火星探測器都在尋找火星上的水。幸運的是美國的“機遇號”、“勇氣號”、?鳳凰號”在火星上都發(fā)現(xiàn)了水的痕跡。但是，當探測器的鏟子挖出白色的物質(zhì)后，第二天白色痕跡就消失了，其原因可能是水分蒸發(fā)了或者它是干冰。目前水的痕跡發(fā)現(xiàn)很多，但并沒有直接發(fā)現(xiàn)水，所以還不能最后確定火星上是否有水?！拔灮鹨惶枴币粋€重要任務是探測、研究火星表面水消失的原因。

闖三關

實現(xiàn)火星探測可不像月球探測那樣容易，“螢火一號”要實現(xiàn)預期的目標，必須過以下三關。

第一關是要進入火星軌道。“螢火一號”的飛行過程與其他火星飛行器相同，不過這次是“一箭雙星”?！疤祉棥碧柣鸺蘸?，先在距地面200千米的遠軌道飛行4小時，然后飛到距地面1萬千米的過渡橢圓軌道，進行26小時的無動力飛行。之后，火箭主發(fā)動機再次啟動，“螢火一號”徹底告別地球，進入從地球到火星的雙曲線軌道，與“福布斯”同甘共苦地共同飛行11個月。到達火星軌道后，聯(lián)合探測器將共同繞火星飛行幾天。在聯(lián)合飛行的過程中，兩顆衛(wèi)星通過電纜連接在一起，“螢火一號”的能量由“福布斯”供給。其間，俄羅斯的探測器會找一個相對合適的位置把“螢火一號”放下，使其圍繞火星飛行，“福布斯”則轉(zhuǎn)途去探測“火衛(wèi)1”?！拔灮鹨惶枴蹦芊耥樌腥氲交鹦擒壍?，它自身不起任何作用，主要由俄羅斯火箭決定。因此，此關是由俄羅斯來闖。

第二關是火星探測器到達火星軌道后的控制問題。當“天頂”號火箭將“螢火一號”放下之后，探測器的所有活動由我國自己來控制。這時，探測器距離地球有1億多千米，在這么遠的一個范圍內(nèi)，衛(wèi)星要想準確進入軌道，及在軌道上飛行和對火星探測，需要有很好的測控系統(tǒng)。由于距離太遙遠，地面測控中心收到的信號非常微弱。如果接收不到這些微弱的信號，地面就無法判斷探測器是否在火星軌道上，也無法對探測器的飛行進行控制。

現(xiàn)在，我國已經(jīng)解決這個問題了，我國科技人員完全有能力捕捉到來自“螢火一號”的信號。為了接收到“螢火一號”的微弱信號，位于上海、北京、昆明和烏魯木齊的4臺射電望遠鏡聯(lián)合組成中國甚長基線干涉儀(VLBI)網(wǎng)，這種用于深空探測器的測量技術(shù)從理論上來說受探測器到地球距離的影響比較小，利用長達幾千千米的基線，可以極大地提高對測量目標的空間分辨率。這也是世界上首次使用甚長基線干涉儀對深空探測器進行軌道測量。

第三關是要保證“螢火一號”在探測期間不被“凍死”。由于“螢火一號”是搭乘俄羅斯的火箭到火星，我國的航天工作者無法為“螢火一號”選擇更適合的飛行軌道，只能借助火星的赤道軌道進行探測。這樣不可避免地在1年服役期內(nèi)經(jīng)歷7次“長火影”的生死考驗。也就是當火星運行至探測器和太陽之間時，“螢火一號”便處于火星的陰影中，那里的溫度可下降到零下200℃以下，而“長火影”最長可以持續(xù)8.8個小時。在此期間，以太陽能為主要能源的“螢火一號”將無法接收到陽光。為了保存能量，就必須使部分部件進入休眠狀態(tài)，待火星飛出“長火影”后，再將這些部件加電喚醒，重新啟動工作。由于休眠期間“螢火一號”的周圍環(huán)境溫度可達零下200℃左右，因此有些部件可能會被“凍死”，不能正常工作。因此，如何保證這段時間“螢火一號”不被“凍死”是最關鍵的問題。

火星探測器被“凍死”是有先例的。去年11月，在火星上探測達5個月之久的美國“鳳凰”號火星車就被“凍死”在火星上。因此，“防凍?技術(shù)成為研制火星探測器的關鍵。我國的科技人員經(jīng)過艱苦技術(shù)攻關；終于掌握了“螢火一號”在超低溫環(huán)境下的防凍技術(shù)，并在今年2月將“螢火一號”放到伸手不見五指、溫度為260℃的實驗環(huán)境中休眠8.8小時。結(jié)果，休眠后“螢火一號”上的16臺單機均被成功喚醒，并且可以正常工作。

“螢火一號”的發(fā)射標志著繼美國、俄羅斯、日本、歐洲太空局后，我國也躋身于“火星俱樂部”，這對火星的探測和研究、特別是對火星生命痕跡的研究，對人類的未來發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。這次實戰(zhàn)對于今后我國自己開展的深空探測無疑是一場重要的“演練”，也將為中國建立自己的深空探測網(wǎng)積累寶貴的經(jīng)驗。

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到目前為止，人類共發(fā)射了31次火星探測器，其中14次發(fā)射的火星探測器連火星的面都沒見，就在發(fā)射時失敗或被地球和火星之間漫無邊際的黑暗吞噬了。其他的17次中，真正到達火星進行正常工作的探測器只有6次。這6次都是美國發(fā)射的，它們是1975年登上火星的“海盜1號”、“海盜2號”，t997年登上火星的“火星探路者”號、2004年登陸的“勇氣”號和“機遇”號及2008年登陸的“鳳凰”號火星探測器。