成功率不足一半,人類“探火”為何步步驚心
2020年07月16日16:09
視覺中國供圖
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  來源:科技日報  

  當前,備受矚目的多國探測火星行動已經陸續拉開帷幕。受天氣狀況影響,阿聯酋火星探測器“希望號”將發射任務推遲到7月17日進行。我國火星探測器“天問一號”目前已經運抵文昌航天發射場,按預定計劃,發射將於7月23日左右進行。

  事實上,相對於火星探測而言,人類對月球探測已經做了大量嚐試,成績斐然。1959年1月2日,蘇聯成功發射“月球一號”,拉開了人類探月的序幕;1969年,美國宇航員阿姆斯特朗登月,他的一小步邁出了人類巨大的飛躍;1994年,美國發射的“克萊門汀”探測器,獲得了當時最詳細的月球表面圖像,併發現月球南極可能存在大量水冰;2011年和2013年,美國先後發射探測器,精確測量了月球重力場,並分析了月球稀薄的大氣組成等;2019年,我國“嫦娥四號”第一次實現人類探測器月球背面著陸和巡視探測。

美國甘迺迪航天中心,火星直升機被安裝在“毅力號”火星探測器的腹部。這架火星直升機將在“毅力號”火星探測器抵達火星表面之後,被部署在火星表面。視覺中國供圖
美國甘迺迪航天中心,火星直升機被安裝在“毅力號”火星探測器的腹部。這架火星直升機將在“毅力號”火星探測器抵達火星表面之後,被部署在火星表面。視覺中國供圖

  距離人類首次登月已經過去了50多年,而火星依舊人跡未至。那麼火星探測與月球探測究竟有哪些區別呢?

  歷史上火星探測成功率僅43%

  火星是太陽系中距離地球較近、自然環境與地球最為類似的行星之一,一直以來都是人類深空探測的熱點。從60年前,人類就開啟了對火星的探險之旅。

  1960年10月,蘇聯向火星先後發射了兩枚探測器“火星1A”號和“火星1B”號,但可惜的是,“火星1A”號發射之後第3級火箭點火失敗,僅飛至地面120千米高就報廢了,“火星1B”號的火箭引擎直接爆炸,空中落下的碎片甚至汙染了整個拜科努爾發射場。

  美國對火星的探索也是開端不利,1964年,剛剛成立不久的美國國家航空航天局(NASA)發射了“水手3號”火星探測器,當穿過地球大氣層時,探測器的一個保護盾未能推出,結果所有的探測儀器都沒能打開,美國的第一次嚐試也宣告失敗。

  1964年10月,美國“火星4號”火星探測器向地球傳回了人類史上第一張有關火星表面的最近距離的圖像,同時回傳的還有500多萬個比特的科學信息,可以說這一次任務開啟了人類空間探索的新時代。

  然而接下來的幾年,蘇聯向火星附近發射探測器又經曆了幾次失敗,研製的“火星2號”探測器具備了登陸軌道的能力,但是在著陸過程中正遇上火星表面發生大規模塵暴,“火星2號”一頭撞進火星上的盆地,本次行動以著陸器墜毀而告終。“火星3號”探測器登陸火星20秒後,就跟地球失去了聯繫。這與1992年NASA的經曆相似,“火星觀察者”號進入火星軌道後,也很快就失去了聯繫。

  進入21世紀,用軌道器探測火星迎來了黃金時代。美國、歐洲航天局相繼成功發射了火星探測器。印度也加入到火星探索競賽中,發射了首顆“火星軌道任務”探測器。然而,人類探測火星

  的征程並未就此一帆風順。2011年,俄羅斯的“火衛一—土壤”星際探測器由於發動機出現故障,未能將其送入飛往火星的軌道,所搭載的中國火星探測器“螢火一號”也一同宣告“探火”失敗。

  有數據顯示,自1960年以來,美國、蘇聯/俄羅斯、日本、歐洲和印度先後進行了44次火星探測項目,但成功和部分成功的任務僅有23次,完全成功率是43%,其餘的項目都出現探測器撞毀、失靈或失蹤了。什麼是部分成功?全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩在接受科技日報記者採訪時解釋說:“如蘇聯‘火星3號’探測器,在降落火星後只發回20秒信號就失聯了,有專家說成功,也有人說不成功。”

  也許有人會問,月球探測成功率是不是更高一些?對此,龐之浩表示,月球探測成功率也不算太高,完全成功率約53%,尤其是早期,失敗率也比較高。總體來講,比火星成功率稍微高一些,由於統計方式不同,如對成功和部分成功的理解差異,所以出現有的統計結果是60%左右,也有統計結果顯示為50%。

  跟月球相比火星探測難在哪兒

  在業界,火星被稱為“探測器墳場”,其探測難度可想而知。

  據龐之浩介紹,火星距離地球最遠約4億公里,最近也要約5600萬公里,探測器抵達火星需要飛行這麼長的距離,對發射、軌道、控制、通信、電源、入軌、著陸等技術都有很高要求。

  在發射方面,火箭的運載能力、入軌精度和可靠性是實現火星探測的重要前提。月球探測器進入地月轉移軌道的速度為10.9千米/秒。而火星探測器要進入地火轉移軌道的速度必須達到至少第二宇宙速度(11.2千米/秒)才行。因此,發射同等質量的月球探測器和火星探測器時,後者必須用推力更大的火箭,使探測器直接進入地火轉移軌道,否則就需要消耗探測器自身燃料和更長的飛行時間加速,這會影響到探測器壽命。

  “火星探測最大的難點是在火星著陸,探測器要經曆入軌、下降與著陸過程,這一過程通常被稱為恐怖7分鐘。”龐之浩說,在火星稀薄的大氣環境下需要用7分鐘將探測器速度從2萬千米/小時降低到零,這需要包括氣動減速、降落傘減速和反推減速等多種減速手段融合實現,每個環節都必須精準無誤,其難度不亞於“在巴黎打一個高爾夫球要落到東京的一個洞里”。

  龐之浩解釋說,雖然火星大氣密度只有地球的1%,但相比月球著陸,火星著陸時探測器多了一個進入大氣層和打開降落傘的環節。由於火星大氣層可以起到一定的減速作用,所以著陸減速需要控制得特別精準,何時進入,進入的姿態、角度等都不能有絲毫誤差。然而,現在人類對火星大氣層的瞭解還比較有限,再加上測控信號延時很長,進入火星大氣層前調整姿態、角度和速度必須靠探測器自主執行。在探測器切入火星軌道過程中,如果切入點離火星過遠,則不能被火星的引力捕獲而掠過火星;如果切入點離火星太近,則可能墜毀於火星大氣層。此外,進入火星大氣層後,探測器也要自主準時開傘減速、準時切傘、準時拋底、準時懸停避障、準時關機等,稍有閃失就會導致失敗。

  由於距離遙遠,火星探測器飛抵火星軌道需要260—320天,通信也是個大問題。龐之浩說,從地球發送到火星的無線電信號,單程延時為20分鐘左右。同時,由於距離越遠,信號就會越弱,再加上宇宙中的噪聲干擾,這對信號收發技術是一個非常大的挑戰。為了應對信號衰減問題,探測器需要裝有高增益、高可靠通信設備,地面也要有直徑很大的深空測控天線,以免探測器因通信故障而“迷失”。

  如果前面一切順利,探測器終於在火星上落了腳,但想要順利開展工作也並非易事。龐之浩表示,在月球表面工作,月球車需要度過一個長月夜,一個長月夜相當於地球上的14天,溫度最低可達到零下180攝氏度。而火星上溫差沒那麼大,一天也是24小時。但火星上的沙塵暴很大,是地球上12級颱風造成影響的6倍,這些飛沙會覆蓋火星車的太陽能電池板,致使其無法正常工作。歷史上,美國第一代和第二代火星車都是受沙塵暴影響而停止工作的。“這就需要充分提高能源的利用率,包括高效太陽能電池技術及高效蓄電池技術,提高能源系統功率質量比,如太陽能電池板儘量要大一些,光電轉換效率要更高。”龐之浩說。

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