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登陆火星须克服“黑色七分钟”

时间:2020-08-07 18:50:03来源:今晚报

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“黑色七分钟”,过往不少飞行器都在这七分钟里被损毁;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“黑色七分钟”是关键

记者:“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一亿多公里,而通信的单程时间就要十多分钟,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,依靠着四条有弹性的“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,时间为七分钟,这被科学家们称为“黑色七分钟”,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,两个火星车都在这七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十多分钟,远大于七分钟的着陆时间,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“黑色七分钟”,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

记者:“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,轨道飞行器上的七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。

记者: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,如果这三步我们都能完成,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。

记者: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

记者: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。

记者: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。 武威(摘自《广州日报》)

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