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登陆火星须克服“黑色7分钟”
2020-07-27 08:40:01 来源: 广州日报
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  焦维新

  2020年7月23日12时41分,“长征五号”遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器,在中国文昌航天发射场成功点火升空。

  近日,航天专家、北京大学地球与空间科学学院教授焦维新接受广州日报全媒体记者专访,他详细介绍了我国“天问一号”探测器未来环绕、着陆、巡视火星时的很多技术环节以及其中的难点。焦维新表示,因为火星距离地球太远,飞行器届时将无法人为操控,只能按照已设定的程序进行操作,而飞行器着陆时更要经历“黑色7分钟”,过往不少飞行器都在这7分钟里被损毁;此外巡视火星时,飞行器还要提防火星上的沙尘暴;而提到“移民火星”的说法,焦维新表示:“未来可以去火星旅游,但没必要去定居,因为要让火星适宜人类生存,至少需要改造800年~1000年,而地球上还有1/3的土地是沙漠,改造沙漠显然要比改造火星容易得多。”

  挺过“黑色7分钟”是关键

  广州日报:“天问一号”已经成功发射,在前往火星的历程中,它还要经历怎样的挑战和困难?

  焦维新:在飞行期间,“天问一号”不会遭遇什么困难,它只要根据预定的轨道飞行,假如它的位置与方向和之前的设定有一定差距,地面控制人员做几次轨道修正就可以了。

  “天问一号”遇到的第一个难点将是切入火星轨道。当探测器到达火星附近时,速度是3km/s,但火星轨道的逃逸速度是1km/s,如果飞行器以这个速度靠近火星,火星的引力场就无法将它“捕获”,它在火星附近拐个弯就跑太阳系里去了。这时,它就要调转180°,利用发动机反方向点火减速,时间约是20~30分钟,之后它才能被火星引力“捕获”。这一操作的难点在于,探测器当时和地球相差1亿多公里,而通信的单程时间就要10多分钟,操作时还在火星的背面,因此人们不能通过地面指令对它进行遥控,只能依靠飞行器原本设定的程序来操作。之前日本的火星探测器在这个阶段时没控制好,探索就以失败告终。

  这一关过后,“天问一号”就将变成火星的卫星了。但一开始,它的轨道离火星还比较远,不太适合进行科学探测, 这时就可以开动发动机,进行轨道机动,降低探测器的高度,但这种方式会消耗燃料,这对已经长途跋涉的飞行器来说并不可行;另一种方法则是利用火星的大气阻力,让探测器逐渐减速,一点点接近到可以进行科学探测的高度。

  这一高度达到后,飞行器就要开始寻找合适的着陆点,抛出着陆器。尽管火星大气层比较稀薄,但着陆器的速度比较快,还是会和火星大气摩擦生热,让着陆器表面像一团火,一般着陆器前面有一个热屏蔽层用来隔热,等到速度降下来后,热屏蔽层就被抛掉,打开降落伞减速。尽管火星空气稀薄,但因为降落伞比较大,对减速还是起到很大的作用的。当速度降低到一定程度时,降落伞也将脱落,这时着陆器的反冲发动机点火,让速度进一步减低,并悬停在空中一段时间,其间观察着陆点是否适合着陆,查看是否有大的陨石坑和岩石,如果有,就让着陆器平行移动,躲开这些障碍物再进行下落。

  当着陆器最后与火星地面接触时,依靠着4条有弹性的“腿”,能起到一定的缓冲作用。从把着陆器抛射出来到着陆器着陆,时间为7分钟,这被科学家们称为“黑色7分钟”,也将是“天问一号”最惊险的一段旅程。此前欧洲空间局发射的两个火星探测器,两个火星车都在这7分钟的着陆过程中失败了,因为着陆对技术的要求非常高,从地球传信号到着陆器要10多分钟,远大于7分钟的着陆时间,因此在地球的工作人员无法操控,只能依靠着陆器自身设定的程序。

  等平安落地后,火星车就开始工作了。这时比较大的风险则是遭遇沙尘暴,沙尘暴覆盖了太阳帆板,会让帆板效率降低,这时火星车可以通过抖动来帮助把沙子去除,像“勇气号”火星车等之前都遭遇过沙尘暴的麻烦。

  总的来说,“天问一号”能否成功进入火星轨道,能否躲过“黑色7分钟”,都将是火星探测的关键。而要顺利完成任务,靠的是仪器设计的可靠性和程序设计的合理性。

  如成功将让人类更进一步

  广州日报:“天问一号”上会带哪些先进的设备?如何将数据送回地球?

  焦维新: “天问一号”装载着大约240公斤的太阳能漫游车,预计将在火星上运行约90天。“天问一号”任务总共有13个科学有效载荷,轨道飞行器上的7台仪器包括两台摄像机、火星轨道地下探测雷达、火星矿物学光谱仪、火星磁力仪、火星离子和中性粒子分析仪以及火星高能粒子分析仪;流动站上安装的六种仪器是多光谱摄像机、地形摄像机、火星探测器地下探测雷达、火星表面成分检测器、火星磁场检测器和火星气象监测器。这些设备采样的数据将被存储下来,定期传回地球。

  广州日报:如果“天问一号”能顺利完成环绕、着陆、巡视的工作,对我国航空航天技术有怎样的标志性意义?

  焦维新:先不说科学探测结果如何,如果这3步我们都能完成,就是很了不起的成绩。目前在国际上,欧洲空间局曾同时发射轨道器和火星车,但两次都失败了;美国基本是单独发射轨道器或单独发射火星车,而只有我们是同时发射轨道器、着陆器和火星车,如果成功了,那就是任何国家都没有做到的成绩,是具有里程碑意义的成果。

  具体到科学探测方面,尽管人类已经发射过多台火星车,但每个的着陆地点都不一样,因此得到的结果也是不一样的,只要火星车能正常工作,那我们得到的都将是创新性的成果。

  广州日报:为何世界各国如此重视火星探测?

  焦维新:首先是人们对探索未知的驱动力。目前太阳系内的天体几乎都被人类探测过了,这些探测结果极大地拓展了人类的眼界;如果中国能成功探索火星,对人类的进步有着很大的意义。此外,探索地外生命也是人类十分关注的问题。太阳系的几个类地天体,火星的条件还算比较好,相对来讲可能有生命存在。未来我们还可以利用火星的资源来探索更远的天体。

  此外,深空探测也将推进人类技术的发展,探索火星需要火箭技术、控制技术、探测技术、时空通信技术等等,这些都将让人类技术向前更进一步。

  “火星游”几百年后可期

  广州日报:目前人类技术能否实现飞行器在火星和地球间的往返?

  焦维新:我们国家探测火星的下一步目标就是取样返回,美国和欧洲空间局也在策划这件事,但返回需要综合性的技术。首先火星车要能找到最有科学意义的样品,取回来放到返回器里;第二个难点是返回的技术,这是人类从来没有做过的事情,从地球去火星有一个发射窗口,而从火星回地球也有一定的时机,至于怎么抓住这一时机返回地球,人类还没有任何经验,需要不断地探索。

  广州日报:科幻电影中有一些描述火星移民的故事,你觉得会成为现实吗?

  焦维新:移民火星的问题要从两方面看,一是必要性,二是可能性。从必要性看,我们在地球上住得好好的,为什么要移民去火星呢?要知道火星无论怎么改造,都不能达到地球那么舒适,与其去改造火星,我们更应该去改造地球上的沙漠,因为让沙漠宜居远比让火星宜居来得更容易也更便宜。因此移民火星没有必要性。

  而从可能性来讲,改造火星也不是一点可能性都没有。我写过一本书,叫做《探索红色星球》,其中最后一章叫“火星地球化”,专门谈了改造火星大气层的步骤,从理论上讲,改造火星的时间是800年~1000年;还有一个关键,就是只有地球有磁场能让生物免于过强带电粒子的危害,而火星没有磁场,无论我们怎么改造也造不出磁场来。

  因此,集中全世界科学的力量来改造火星是不现实的,但未来随着科学的发展,我们可以制造出载人飞行器登陆火星,建立火星基地,等到几百年以后条件好了,再让人类去火星上旅游,这都是有指望的,人类可以在火星上短期居住、进行科学探索,但目的绝不是为了移民。文、图/广州日报全媒体记者 武威

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