扑克王德州中国天问一号火星着陆,比 NASA 早发 7 天为何晚到 3 个月,真相是…

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2021-05-19 14:58

据国家航天局消息,扑克王德州5 月 15 日 7 时 18 分,经由航天科技集团研制研发的火星探测器天问一号,经历了十个月的太空旅行后,携带其着陆巡视器成功着陆火星乌托邦平原。至此,中国成为了全球继美国后,第二个成功登陆火星的国家。

“天问一号”探测器总重约为 5 吨,由环绕器和着陆巡视器组成,着陆巡视器主要包括进入舱和“祝融号”火星车。该探测器于 2020 年 7 月从我国南部的文昌航天发射场发射升空。

祝融号火星车重 240 公斤,携带有地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、磁强计以及成分探测仪等共 6 台科学有效载荷。

近些年,各国密集开展了各种火星探测计划,除了天问一号,美国和沙特去年同一时间也相继发射了火星探测器。美国的探测器已于三个月前登陆火星,相比之下,我国的天问一号早发射却晚登陆,完登陆的三个月其实包含着“大学问”。

经历“恐怖九分钟”,实现“巨大飞跃”

从进入火星大气到着陆火星表面是整个火星着陆过程中最为惊险的时刻。天问一号任务火星着陆分为气动减速、伞系减速、动力减速、悬停避障与缓速下降四个阶段,历时“恐怖九分钟”。

下面是视频:

火星目前距离地球超过 3 亿公里,天问一号发出的讯号需要约 18 分钟才能传送到地球,因此科学家无法作出实时监察或操控,天问一号必须完全依靠自身计算机独立完成着陆全过程。

天问一号由轨道器、着陆器和巡视器组成,着巡组合体放置于气动外罩之中。15 日凌晨 4 时,轨道器首先与着巡组合体分离,它将继续绕着火星飞行,为着陆器和地球提供中继通信。

经过 3 小时后,在大约 125 公里的高度,着巡组合体以 11.2° 的进入角和 4.8 公里 / 秒的速度进入火星大气。

火星大气的密度不到地球大气密度的百分之一,这意味着大气对探测器的减速效果会很不好。虽然大气稀薄,但快速的降落摩擦还是会产生极强的气动加热效应,这将直接导致探测器表面的温度升高至 2000 度。

经过 5 分钟的大气减速后,降落伞打开,探测器会进一步充分减速,大约 40 秒后,隔热盾抛离,速度降为 250 米 / 秒。

到了距离火星表面 1.5 公里时,降落伞和气动外罩的上部分一同被抛离,并启动反推火箭进行减速。到了高度为 100 米时,着巡组合体悬停在空中,它所携带的雷达和光学相机将会寻找合适的降落点。

最终,天问一号于 7 时 18 分稳稳地降落于乌托邦平原 25.1°N 109.9°E 位置处。所携带的“祝融号”成为人类史上第六台探索火星表面的火星车。

意大利博洛尼亚射电天文学研究所的行星科学家奥罗西表示,"祝融" 火星车着陆成功,就意味着中国只用一次任务就实现了美国耗费数十年历经多次任务实现的目标,"这是巨大的飞跃"。

火星探测上演“三国演义”,跑得慢并不是实力弱

前苏联、俄罗斯、英国等多国过去都尝试进行火星着陆任务,但除了中国外至今只有美国成功。前苏联在 1960 至 1970 年代多次尝试派出探测器在火星着陆,最终全数失败。而美国的维京一号在 1976 年降落火星,是首个成功降落的探测器。

天问一号是中国第二个主要的火星探测任务,上一个任务是 2011 月与俄罗斯合作的萤火一号,原本计划会环绕火星运行并收集数据,但搭载着萤火一号的俄罗斯火箭出现异常,令萤火一号无法离开地球轨道,最终掉回地球大气层烧毁。

地球跟火星的平均距离是 2.25 亿公里,最近距离低至 5500 万公里,最远距离则高达 4 亿公里。再加上各种因素,火星探测器的发射有着最佳的“窗口期”。而距今最近的发射窗口便是天问一号的发射日期,2020 年 7 月。

彼时,有三个国家前后发射了三艘火星探测器,分别是阿联酋的第一个火星探测器“希望号”,于 2020 年 7 月 20 日发射;我国的“天问一号”,于 7 月 23 日发射;美国 NASA 的“毅力号”,于 7 月 30 日发射。

2021 年 2 月 10 日 19 时 52 分,经过 6 个半月的飞行之后,天问一号顺利完成“刹车”减速,进入环火星轨道,成为我国首颗人造火星卫星。几天后,毅力号也在 2021 年 2 月 18 日抵达火星。

不同的是,毅力号火星车在抵达火星当天就直接着陆了,而天问一号则先绕行了火星三个月,今天才正式着陆。

为什么会这样呢?主要原因有三个:

首先,天问一号是我国发射的首个火星探测器,全球首次选择一次性完成“环绕、着陆、巡视”三步走探测方案。天问一号由环绕器、着陆平台和火星车三件套组成,环绕器进入环火星轨道之后可以一直带着着陆巡视组合体,有充足的时间来选择合适的着陆时机。

▲天问一号“绕”“着”“巡”三位一体

相比之下,NASA 的毅力号没有环绕器,用的是一个巡航级带着气动外罩(里面塞着火星车)飞往火星,也没有进入环火星轨道的设计。

等飞到了火星附近,巡航级一扔,无枝可依的气动外罩只能立刻扎进火星大气层开始着陆,没法等待。

那没有环绕器,NASA 的通讯中继怎么办?这倒不是毅力号不需要通讯中继,主要是美国已经发射了许多火星探测器,现在在火星轨道上工作的环绕器还有好几个,完全够用。

▲天问一号(左)和毅力号(右)探测器

其次,还是因为天问一号是我国第一个探测器,相比于美国巨量的发射经验,很多东西我们得现场摸索,稳扎稳打。火星地貌复杂,天问一号到达火星之后,先要对火星地貌进行高分辨率成像,以找出合适的着陆点。

NASA 已经花费很长时间为备选着陆区积累高分辨率影像数据,也就是说,毅力号在出发之前就已经手握一份着陆区高清地图了。

最后,看过电影《火星救援》的小伙伴们都知道,火星上有着全球性的沙尘暴。1971 年苏联火星 2 号和火星 3 号抵达火星时,就正好赶上火星全球性的沙尘暴。结果不仅环绕器没拍到啥东西,着陆车也直接失败。

▲火星沙尘暴

祝融号这种使用太阳能供电的火星车,更是得比用核电池的毅力号更加谨慎一些才行。即使沙尘暴没有破坏火星车的装置,单凭遮挡太阳光这一点火星车就已经受不了了。

2018 年 6 月,火星经历了一场全球性的大型沙尘暴,使用核电池的好奇号火星车平安挺过,使用太阳能的机遇号火星车直接报销。

此前的观测数据显示,每年的火星春天至夏天期间,北半球都没有出现过沙尘暴。目前的火星较为平静,天问一号在 5 月中旬降落火星是最为稳妥的。

另外值得一提的是,太阳能供电的火星车并不比核动力火星车“低级”。机遇号在火星上驰骋探测了 14 年,至今保持着最长寿的火星车纪录,要不是因为沙尘暴还能再战。相比之下,工作了 8 年多的好奇号已经老态龙钟,估计破记录无望了。

移民火星?No!天问只为科学

马斯克曾公开表示有向火星移民 100 万人的计划,世界各国火星探测计划也密集发布,仿佛已经开始了火星上的跑马圈地。

但是,天问一号的职责可不是为了火星移民。国家航天局等有关单位对天问一号的发射目标有明确的说明,即探测火星地形地貌、火星磁场、地下水、土壤成分和分布、火星大气层以及气候变化。

从更大的深空探测范围看,NASA 曾组织权威专家讨论撰写了两个重要文件:《太阳系探索路线图》和《天体生物学战略 2015》。这两项文件中全面论述了探索太阳系以及探索地外生命的目的和方法。

在《太阳系探索路线图》中明确阐述了五个科学目标:太阳系的行星和小天体是如何起源的?太阳系是如何演化到目前这般不同的状态的?同在太阳系诞生,为什么地球、火星、金星和水星现在的状态如此不同?导致生命起源的太阳系特征是什么?生命是如何在地球上起源和演化的?在太阳系的其他地方也有生命吗?太阳系环境中有哪些会影响人类在太空生存的灾害和源头?

在国内外深空探测主管部门的官方文件中,从未提及向地外天体移民的意向。

既然不是为了移民,为什么都要探索火星?

人类使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史。几乎就在人类刚刚有能力挣脱地球引力飞向太空的时候,第一个火星探测器也开始了它的旅程。

最早期的探测器几乎都失败了,而火星探测也就是在一次又一次的失败中不断前进。

从 1964 年“水手 4 号”火星探测器发射、1965 年传回第一张火星表面照片开始,50 多年时间里,人类已先后开展了 50 余次火星探测。

虽然如此,就目前的探测水平来看,各国都远远达不到对火星探测清晰明了的程度,更谈不上是对火星上资源的争夺。

之所以现在各国都争相进行火星探索,是因为相比于其他太阳系内的星球,火星更具有科学探索价值和条件。火星离地球比较近,我们的探测器能够到达。

此外其他星球,如金星的条件太过恶劣,通过探测金星来搞清一些重大科学问题,技术难度也比较大。综合考量下来,火星探索的可行性更大,但绝不是要去移民火星。

从科学价值来看,火星能反映出很多问题,对人类了解地球会有帮助。比如为什么同在太阳系,各个行星演化的结果却有所不同?

如果能找到何种原因导致各大行星演化结果的不同,那么我们就能更好地了解地球演化的过去。我们通过对其他天体的探测考察,能够找到更多与地球有关的答案。

火星表面有纵横的沟渠,或许火星过去表面也遍布河流、海洋。有水,就可能有生命;有生命,就有可能有智慧生命,有“火星人”。

但是,为什么现在的火星一片“死寂”?是星球本身的变化还是“火星人”的作死破坏?如果真的是这样,地球会不会重蹈覆辙?这世界有太多秘密值得我们去探索。

▲火星河流遗迹

仰望星空是为了更好的脚踏实地,“天问一号”的成功,不仅是我国科学技术界的一大胜利,也将成为世界科学史的一个里程碑。

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