周穎
隨著航天科技的發(fā)展,人類對于行星探索的興趣與嘗試與日俱增。其中,火星是全球最為熱門的行星“旅行地”。
由于火星是太陽系中距離地球較近的行星之一,其自然環(huán)境與地球極為相似。火星探測不僅有助于探究火星生命的存在和演化過程等問題,更可借此了解地球的演化歷史、預(yù)測地球未來變化趨勢,為人類開辟新的生存空間尋找潛在目標(biāo)。
尋找地外生命和研究火星的形成演化過程是火星探測的兩大科學(xué)主題。中國發(fā)射火星探測器,既是為了研究火星,為人類尋找未來家園,也是為了能夠反觀自身,探究地球的過去和將來。
根據(jù)計劃,中國首次火星探測將通過一次成功的發(fā)射,實現(xiàn)一次性完成“ 環(huán)繞、著陸、巡視”三個目標(biāo)的探測方案,在全球尚屬首次。2020 年7 月23 日,我國成功發(fā)射“天問一號”火星探測器,標(biāo)志著中國將成為世界上探測火星首次完成軟著陸任務(wù)的國家,并成為繼美國之后第二個完成火星漫游的國家。
這段看似簡單的旅程,實際上充滿著挑戰(zhàn)和兇險。目前全球已實施火星探測活動40 多次,但成功率僅有40%。火星探測器發(fā)射升空以后,將飛行7~8 個月的時間,預(yù)計在2021 年2 月到達(dá)火星的引力場以內(nèi),然后再經(jīng)過火星的捕獲,才能到達(dá)火星。探測器在經(jīng)過長途飛行后,如何成功被火星的引力場捕獲,是此次任務(wù)中的關(guān)鍵點之一。
在漫長旅途中,科學(xué)人員會根據(jù)火星探測器軌道的具體情況,不斷修正探測器的飛行方向,當(dāng)它到達(dá)火星附近時要及時“ 剎車”。而一旦捕獲失敗,探測器將會與火星擦肩而過,“滑”向更遠(yuǎn)的太空。探測器被火星引力場捕獲后,就進(jìn)入火星的循環(huán)軌道,再經(jīng)過多次的調(diào)整,就可以進(jìn)行環(huán)繞火星探測了。
在完成環(huán)繞火星探測之后,火星探測器將降落在火星表面。盡管降落的過程僅有7 分鐘,但這個被稱作“恐怖7 分鐘”的降落過程,卻是整個任務(wù)的關(guān)鍵點。
著陸為何難?著陸時,火星探測器要在7 分鐘內(nèi)將其時速從2 萬千米降低到零,這需要融合氣動外形、降落傘、發(fā)動機、多級減速和著陸反沖等多項技術(shù),才能實施軟著陸,對軟件和硬件的要求極高。目前,在國際上主要有兩種減速方式。中國以探月工程中的技術(shù)經(jīng)驗作為基礎(chǔ),通過四個階段逐步減速,最終使探測器平穩(wěn)到達(dá)火星表面。
第一階段為氣動減速,通過“急剎車”的方式,將火星探測器速度從每秒4.8 千米降至每秒460 米;第二階段為打開降落傘,把火星探測器速度降到每秒95 米;第三階段為動力減速,探測器的反推發(fā)動機點火工作,將火星探測器速度減小到每秒3.6 米;第四階段的最后100 米為懸停避障階段,探測器將懸停在空中,對火星表面進(jìn)行觀察,為選定著陸點做最后準(zhǔn)備。
著陸器在火星表面軟著陸成功后,將釋放火星車,在火星表面進(jìn)行巡視探測、研究火星地貌特征等多項任務(wù)?;鹦擒嚥⒎恰?不休不眠”。為規(guī)避火星極端天氣的影響,火星車將設(shè)置自主休眠和自主喚醒功能。就像正在月球上忙碌的“嫦娥四號”和“玉兔二號”一樣,火星車的探測工作也講究“勞逸結(jié)合”。
由于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇髸r延,要求火星車必須具有很高的自主能力。同時,火星光照強度小,加上火星大氣對陽光的削減作用,火星車能源供給比月球車更為困難。這些因素都使得火星探測任務(wù)更具難度和復(fù)雜性。