剛剛,“天問一號”火星探測器發射升空!太空專家詳解要點
2020年07月23日13:30

  來源:返樸

  作者:李傑信(前NASA太空任務科學家)

  不到火星非好漢

  《史記》上早已說得清清楚楚:“雖有明天子,必視熒惑所在。”對火星的關注,是中華民族歷史上不變的情懷。中國在月球為嫦娥和玉兔蓋了廣寒宮,也想把紅色的火星和關雲長的赤兔馬掛鉤。中國的“嫦娥”和“玉兔”已成功登陸月球,當然下一步,就是要去拜訪火星。火星遠在天邊,登陸月球和登陸火星所需的太空科技,有質上的差異。去火星第一件所需的神器就是一枚大推力的火箭。中國在經濟起飛前的1986年就已經開始籌劃這枚大型火箭的前期論證和攻關工作,前後經曆了20年艱難的研發,終能在2006年10月上馬開始製造這枚火箭。

人類火星探測全家福圖片。約略估計,成敗各半。感謝“美國行星學會”戴維斯先生授權刊載|Credit: Publication permitted by Mr。 Jason Davis of The Planetary Society/USA
人類火星探測全家福圖片。約略估計,成敗各半。感謝“美國行星學會”戴維斯先生授權刊載|Credit: Publication permitted by Mr。 Jason Davis of The Planetary Society/USA

  中國在新世紀的經濟和其他各方面的崛起,是人類文明史上的奇蹟。中國富強了,才有能力開發這枚符合現今世界最高水平的強力火箭。這枚火箭有兩個高階層要求。第一,它的推力要達到比“長征二號”高出3倍的25噸級低地球軌道能力;第二,這枚火箭要使用“非自燃”無毒性的推進燃料。

  第一個要求易懂,火箭要有25噸的低地球軌道推力,才能把有效載荷送到遙遠的火星。第二個要求更重要,如此巨大推力的火箭,不好再使用強毒性自燃推進劑“四氧化二氮/偏二甲肼”。對一個在國際太空科技具有領導地位的大國,最受尊重的選擇是低溫液氫和液氧火箭推進燃料。氫氧燃燒後的產物為水,對地球環境無害。但低溫液氫和液氧燃料的比重較低,比同等體積的四氧化二氮/偏二甲肼燃料產生的推力小。為了使火箭能攜帶更大的載荷,這類大型火箭的發射場地越接近赤道,就越能得到地球自轉速度給出的附加載荷紅利。於是中國就把這枚名為“長征五號”,又稱“胖五”的火箭航天發射場地設在中國最南疆海南島的東北角文昌市。為了運輸便捷著想,火箭的製造工廠就順其自然地設在了天津。

  “十年磨一劍,霜刃未曾試”。2016年11月3日,“胖五”於文昌航天發射場首次發射成功。通常新型火箭試射,需三錘定音。2017年7月的第二次試射,第一節火箭的液態氫氧發動機運轉異常,45分鐘後宣佈發射失敗。2019年12月27日,“胖五”第三次試射,成功將“實踐二十號”實驗通信衛星送入赤道上空的地球靜止軌道。懸樑刺股十三載,終於鋪好了中國去火星探測的高速公路。

中國的低溫液氫和液氧燃料推進火箭“長征五號”,又稱“胖五”,經30餘年的研發,於2019 年12月27日,試射成功,三錘定音。|Credit: Creative Commons Attnbution 4.0 International,篁竹水聲
中國的低溫液氫和液氧燃料推進火箭“長征五號”,又稱“胖五”,經30餘年的研發,於2019 年12月27日,試射成功,三錘定音。|Credit: Creative Commons Attnbution 4.0 International,篁竹水聲

  中國要有自己獨立自主創造出來的火星火箭,才能執行自己的火星探測任務。中國和俄羅斯2011年11月的合作項目“火衛一登陸號”,就是俄羅斯發射火箭,中國提供一顆火星軌道衛星搭載其上。中國在2011年還沒有火星火箭,但如能把不需要火箭部分的火星任務所需要的技術先行演練一下,也是個求之不得的機會。這些技術可以包括:火星入軌、打開太陽電池板和通信天線、展開地-火間長距離通信和火星地表照相等。但這次中俄合作,就是因俄羅斯的火箭故障,連地球軌道都沒有脫離成功,當然更無法輪到考驗中國“螢火一號”的各項性能,就偃旗息鼓了。

  2019年初,“胖五”進展順利,1月11日,中國在堅實的火星火箭基礎上,正式向世界宣佈,“火星,我來了!”

  中國決定於2020年火星發射窗口開放時期中的7月23日 (下表為火星“衝”的日期和此時地-火距離),用“胖五”載著“天問一號”,首途火星。

“衝”的日期/地球與火星的距離
“衝”的日期/地球與火星的距離
2003年8月28日到2018年7月27日間,地球和火星在它們橢圓形軌道上“衝”的位置。
2003年8月28日到2018年7月27日間,地球和火星在它們橢圓形軌道上“衝”的位置。
去火星的宇宙飛船要在地球落後火星44度時出發,才剛好在259天后趕到太陽對面與火星會合。宇宙飛船與火星會合時,地球已經走到了火星前面75度。地球落後火星44度時,地球的發射窗口開放,約30天。
去火星的宇宙飛船要在地球落後火星44度時出發,才剛好在259天后趕到太陽對面與火星會合。宇宙飛船與火星會合時,地球已經走到了火星前面75度。地球落後火星44度時,地球的發射窗口開放,約30天。

  中國“天問一號”任務包括軌道衛星與登陸器和火星漫遊小車。軌道衛星相機的解像度,有中、高兩等級,在400千米的高度,可看清楚最小到2米大小的地表物體。衛星也攜帶了計磁儀、礦物成分分光儀和火星離子和中性粒子分析儀,另攜有軌道穿透火星地表雷達。火星漫遊小車上置有100米級的地表穿透雷達、多光譜相機、計磁儀、氣象儀、地表合成物探測器及導航相機等。如這些儀器都能安抵火星任務工作位置,正規操作,中國的火星科學家和工程師們,可在國際同行評審的刊物上,發表數百篇論文。

中國火星漫遊小車示意圖|Credit:CICphoto
中國火星漫遊小車示意圖|Credit:CICphoto

  略提一下,“天問一號”的軌道衛星和地面的漫遊小車都攜有計磁儀。1975年,NASA發射的第一個火星探測器 “海盜一號”測量到火星有極微弱的磁場,是地球的萬分之一。火星磁場雖微弱,但出身詭詐,極可能是區域性的局部現象。“天問一號”天上地下雙管齊下同時測量,肯定能進一步繪製出更詳細的火星磁場分佈圖。

  “天問一號”除了期盼獲取登陸火星和在火星上運作的實際經驗外,也為2030年中國火星雙程取樣任務做準備。火星漫遊小車很可能尋找到一塊最適合送回地球的火星礦石,標明發現地點經緯度,甚或演練打包處理過程,靜候 2030年地球物流快遞取貨。

  中國第一次火星任務的成功一定得滿足幾個硬要求:第一,“胖五”一定要把“天問一號”送入火星軌道;第二,漫遊小車一定得登陸成功。日本的第一次任務連火星都沒追上。而印度聰明取巧,避重就輕,成功至上,只肯試火星軌道衛星,入軌成功後就大肆宣揚。歐洲航天局兩次火星任務,軌道衛星成功,登陸器皆敗北。

  進入火星軌道已不容易,登陸火星就更是難上加難了。中國“胖五”經過30餘年的研發製作,應已造就了金剛不壞之身,把“天問一號”送入火星軌道,應在合理的期盼範圍內。登陸火星部分,是墨菲先生的禁臠,略有差錯,墨菲先生一定把它抓出來,放大渲染,毫不留情,不搞到車毀機亡,決不罷休。登陸是火星任務最困難的部分,通過成功登陸火星的烈焰灼煉,中國將取得太空科技強國的鑽石會員卡。目前只有美國有鑽石卡會員,俄羅斯嚐試登陸火星5次,僅“火星3號”勉強算得上成功,登陸90秒後,儀器只工作了20秒。所以,俄羅斯僅夠得上銀卡資格。

  中國登陸火星地點,有兩處選擇。經過反複論證,在2019年9月決定揚棄金色平原,以烏托邦平原為登陸首選。烏托邦平原是火星,也是太陽系中最大的隕石盆地,直徑達3300千米,為火星直徑之半,也是1976年“海盜二號”登陸地點。

人類登陸火星最給力的幾架探測器在火星地表的分佈圖。新一代儀器的主要目的是實現人類“跟著水走”的21世紀火星探測策略。|Credit:NASA/JPL
人類登陸火星最給力的幾架探測器在火星地表的分佈圖。新一代儀器的主要目的是實現人類“跟著水走”的21世紀火星探測策略。|Credit:NASA/JPL

  中國火星登陸採取了在火星大氣中以超音速降落傘和反射火箭減速軟著陸。因導航和進入火星大氣時。登陸是火星任務最困難的部分,通過成功登陸火星的烈焰灼煉,中國將取得太空科技強國的鑽石會員卡。引進的不確定性,登陸的橢圓不定範圍為40千米×100千米,為美國1996 年的“火星探路者號”登陸橢圓面積的五分之一,但為美國最先進“火星科學實驗室”新一代全程反射火箭控制登陸橢圓面積的 29 倍。中國在烏托邦平原有兩處候選登陸地點,美國的MRO/HiRISE特別為中國在火星烏托邦平原可能登陸地點之一攝得了一幅高清圖像。

  美國的 MRO/HiRISE 特別為中國在火星烏托邦平原可能登陸地點之一攝得的高清圖像。|Credit:NASA/JPL/University of Arizona

  2020年1月23日,中國宣佈“胖五”已完成最後一次液氫液氧火箭引擎100秒點火檢測。通過這個嚴格驗收關卡後,“天問一號”載荷就已可以開始組裝。中國的火星任務,升火待發。

  人類登陸火星的魔障

  2020年的火星發射窗口,在7月初開始開放。除了中國以外,美國和阿聯酋也抓住這次火星探測機會,各顯神通,作者在這就不再一板一眼平白直述,只挑些有趣的來說。

  又花費美國納稅人21億美元的“火星2020”任務,將攜帶“毅力號”漫遊車,預定7月30日出發,2021年2月降落於“海盜二號”西南方約 3300千米處的“傑澤羅隕石坑”,主要任務是尋找古代生命的跡象,並仔細推敲出一個實際可行的火星雙程取樣任務。火星雖然大氣稀薄,不及地球的百分之一,好像支撐不了飛機所需的浮力,但這次美國要送上去一架迷你直升機,首試在火星地表氣體動力飛行器的可行性。

與美國“毅力號”漫遊車(背景遠處)一起登陸的迷你“火星直升機偵察兵”示意圖。|Credit:NASA/JPL
與美國“毅力號”漫遊車(背景遠處)一起登陸的迷你“火星直升機偵察兵”示意圖。|Credit:NASA/JPL
美國有史以來所有登陸火星探測器的總覽圖。“好奇號”(Curiosity)和“洞察號” (InSight)仍在工作狀態,“毅力號”(Mars 2020)將在2021年2月18日在“海盜二號”西南方約3300千米處的“傑澤羅隕石坑”登陸。| Credit:NASA/JPL
美國有史以來所有登陸火星探測器的總覽圖。“好奇號”(Curiosity)和“洞察號” (InSight)仍在工作狀態,“毅力號”(Mars 2020)將在2021年2月18日在“海盜二號”西南方約3300千米處的“傑澤羅隕石坑”登陸。| Credit:NASA/JPL

  火星雙程取樣任務至為艱難,耗資巨大。從 2020年開始使用漫遊小車在火星上實地考察研究,如能成功,也是 2030 年以後的事。雙程取樣任務是人類科技文明突破級的成就,每個科技大國都想率先達陣,但現在還在拍胸脯叫板階段。如我們常說的,這是一個自由的世界,這是一個浩瀚的宇宙,大家就都撒開歡兒,盡情地去自由叫賣吧。

  其實人類辛勤地經營火星探測,埋在心裡頭最深沉的夢想還是希望有一天人類本尊能登陸火星。先不談移民,只要能親臨其境實際考察一番就已心滿意足。人類登陸火星的難度,無可擬比,以作者的科技突破標準,多個諾貝爾獎級的成就也無可比擬。

  人類登陸火星之路,魔障重重,第一就是旅途中要長期暴露在強太空輻射環境,再來就是旅途中的失重、失水、骨質疏鬆、肌肉流失和人體免疫系統變弱等。抵達火星後,如是“合”級任務,則至少要停留 455 天,等待回程發射窗口開放。停留期間,環境控制及生命支援系統 絕對不能故障。雖有至少 4 名宇航員結伴同行,心理上依然會有遙遠無助、孤獨寂寞的感覺。人類第一次去火星,肯定是兵馬未動,糧食、燃料先行。但可能偶有關鍵零件材料欠缺,就得就地取材 補充。在火星上住 455 天,可能需要把地球的益生菌 和噬菌體 帶上。

  再略談一下太空輻射。太空輻射,部分來自太陽,如“太陽粒子事件”。但最凶悍的部分則是來自深不知處的宇宙,統稱宇宙射線 。人類的祖先能在地球上健康演化,全得利於地球磁場和大氣的保護,才能躲過太空輻射對人類染色體基因的傷害。輻射劑量的單位以希沃特 計算。人類一生能承受的輻射總劑量為1希沃特。人類火星之旅,在路上的來回雙程共259×2=518天,近一年五個月,皆暴露在宇宙射線的淫威之下,太空艙雖有 10 釐米厚的水牆圍護,但仍然無法隔離極高能量的宇宙射線。據估計,去火星的路程,因高能量宇宙射線肆虐,宇航員會承受250毫希沃特的輻射,來回就是500 毫希沃特,已經消耗了人體一生所能承受劑量的一半。所以,宇航員在一生的太空事業中,只能往返一次火星!

  人有惰性,人身體內的細胞更懶。去火星之旅的微重力環境下,骨骼和肌肉的細胞馬上會發現它們不必再努力辛苦地支撐地球重力下的體重了,於是即刻減產,8 個多月下來,骨質疏鬆、肌肉流失。別的生理功能也來添亂。在微重力下,儲存在兩條大腿中的體液,開始向全身平均分佈。對上半身而言,平均過來的體液造成充水現象,於是人體大量排水,結果只能保住在正常重力下95%的體液,置身體於嚴重失水狀態(註:對一位75千克重的宇航員,5%排出的體液約為 3000毫升)。體液少,紅血球、白血球數目就相對減少,身體免疫系統隨之減弱。身體長期處於微重力下,甚至連基因的開關和生產蛋白質的機製都會發生約 5%的變化。還好人類在太空站的微重力環境下已有了連續生活近20年的經驗,發現強力衝擊性的運動 (Impact Exercise) 可減慢微重力環境對人體的傷害。所以,去火星的宇航員,每天都得綁上強力的橡皮筋,在太空艙中做4小時衝擊性的運動。

  人類使出渾身解數,規劃出未來30年登陸火星所需的科技和各類在太空環境工作、生活和居住的設備。美國的太空策略,由白宮掌控,任務走向常淪落為政客的短期政治籌碼。人類登陸火星計劃需要跨越現實的政治時空尺度,在艱難多變的政治生態環境中,穩步前行。

  下圖是NASA有效運用最強大、最符合科學和工程邏輯發展出來的人類登陸火星的願景圖。中間上方兩枚火箭,是美國為登陸火星設計出來的專用火箭,上面較小的為25 噸低地球軌道推力級別,命名“戰神一號”,推力和“胖五”相當,但為載人火箭,造價至少是非載人火箭的十倍有餘。下面的為 188 噸低地球軌道推力級別的載貨火箭,命名為“戰神五號”。目前,這兩枚火箭仍在庫藏冬眠期間,耐心等候外界政治環境複蘇後再披戰袍出征。

人類登陸火星的願景圖 |Credit:NASA/JPL
人類登陸火星的願景圖 |Credit:NASA/JPL

  火星和地球的距離,在“大沖”時可近到5500萬千米,約為0.37天文單位,最遠時可達2.5 個天文單位,雙程通信需時370~2500秒,即約6~40分鐘。所以,與火星通信,都有較長的時間延遲,信息基本上都是過去式。人類送上火星的探測器,皆運用人工智能全自動操作,只在一些設計好的關鍵時刻,需要地球基地啟動指令進行特殊操作程式。目前在火星軌道上佈置的幾顆衛星,基本滿足地面儀器“好奇號”“洞察號”和以後“毅力號”火-地中繼通信需求。

人類目前在火星軌道上佈置的幾顆衛星,基本滿足地面儀器火-地中繼通信需求。| Credit: NASA/JPL
人類目前在火星軌道上佈置的幾顆衛星,基本滿足地面儀器火-地中繼通信需求。| Credit: NASA/JPL

  地球與火星和其他的外層空間之間的通信,需24小時暢通無阻。但因地球自轉原因,不管任何時間,有一半以上的宇宙空間不在單一射電視線所及範圍,所以人類圍繞地球每隔120經度就得要設一個深太空聯絡站,彼此相互扶持,以覆蓋與火星24小時通信不間斷的需求。美國設置三個主力“深空聯絡設施”,一在美國加利福尼亞州南方沙漠中的戈爾德斯通,另一個在西班牙的馬德里,第三個在澳洲首府坎培拉近郊。1998年和2013年經特別安排,作者拜訪了坎培拉和戈爾 德斯通的 “深空聯絡設施 ”。

經特別安排,作者在1998 年和2013 年,前後拜訪了坎培拉(右下角)和戈爾德斯通的“深空聯絡設施”,兩處射電天線直徑分別為72及70米。|Credit: NASA/JPL
經特別安排,作者在1998 年和2013 年,前後拜訪了坎培拉(右下角)和戈爾德斯通的“深空聯絡設施”,兩處射電天線直徑分別為72及70米。|Credit: NASA/JPL

  中國的“天問一號”,如“嫦娥”為“玉兔”準備的“鵲橋”衛星一樣,也為地面漫遊小車自備了專用軌道通信衛星,將是火-地最新型中繼衛星,必要時一定能和美、歐衛星互援,通過“深空聯絡設施”增強人類火-地通信能力。

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