火星探測任務面臨的深空空間環境
2020年07月23日10:14

  我國首個火星行星探測器升空在即,火星,是太陽系里與地球最為類似的行星,在科幻小說里曾出現“移民火星”的展望,有趣的“火星考古學“認為數億年前的火星是跟地球一樣的藍色海洋星球。而科學研究也表明,火星的確曾經有過適宜生命生存的環境——具有很厚的大氣層和大量的液態水存在地表,但經過數億年太陽風的剝蝕後,如今的火星只剩下由CO2組成的稀薄大氣了。

地球與火星(圖片來源:NASA)
地球與火星(圖片來源:NASA)

  載入史冊的火星探索

  自上世紀六十年代起,人類就開啟了探索火星的勇敢曆程,邁出探索腳步的國家包括美國、蘇聯/俄羅斯、歐洲、中國、日本和印度。在44次探索任務中,一步步的嚐試接近火星、繞飛火星軌道、著陸火星、開展火星地面探測。但有48%的探索任務完全或者部分實現了目標(包括美國16次,蘇聯/俄羅斯2次,歐洲2次,印度1次)。其中,美國的四次探索任務Mariner 4、Mars3、Mariner9和Sojourner分別創造了人類第一次成功接近火星、繞飛火星軌道、著陸火星、開展火星地面探測的歷史。

  即將踏上征途的火星探測器

  今年7-8月,有三個國家陸續開啟火星之旅——美國、中國和阿聯酋。其中,我國的“天問一號”火星探測器預計將成為人類歷史上第一個一次性實現繞飛火星軌道(orbiter)、著陸火星(lander)、開展火星地面探測(rover)三個目標的深空探索任務。為了實現這一目標,“天問一號”的軌道分為如圖2所示的五個階段:長達7個月的地火轉移軌道階段(Earth-Mars transfer stage)、約10天左右進入火星捕獲軌道階段(Mars capture stage)、2-3個月的火星伴飛軌道階段(Mars orbit parking stage)、約5小時的衛星和火星車分離以及著陸階段(Deorbit and landing stage)、為期90個火星日的火星車地面探索和1個火星年的衛星監測階段(Scientific exploration stage)。

“天問一號”軌道示意圖
“天問一號”軌道示意圖

  火星探索為什麼這麼難

  在這裏,以月球探索作為對比,至今為止,人類歷史上成功將月球車送上月球的國家,也只有美國、蘇聯和中國,可見登月難度之高。然而,火星探索比月球探索難度更高。

  那麼,為什麼火星探索這麼困難呢?其中一個重要的原因,是深空探索面臨著非常複雜的環境挑戰。

  在行星際空間中,深空探測器面臨輻射環境、太陽風等離子體環境、電磁輻射環境的威脅,而在近火星空間,深空探測器又面臨火星電離層、中性大氣、表面輻射環境的挑戰。

  美國NASA的總工程師Terry Onsager說:“為了實現火星探索,探測器和人類都面臨著日球層環境的嚴峻挑戰,我們已經準備好了。”

  輻射環境的威脅

  首先,深空探測器的在軌安全面臨著輻射環境的威脅,主要輻射源是太陽高能粒子和銀河宇宙線。

  月球距地球約40萬公里,火星與地球的最遠距離達到了4億公里,深空探測器僅僅到達火星軌道的第一階段就耗時七個月。在此階段,由於脫離了地球磁場和大氣層的屏蔽與保護,高能帶電粒子(以及少量的中性粒子)可以不受阻礙地直接轟擊到深空探測器,對深空探測器的正常運行造成相當大的危害,引起航天器單粒子效應、位移損傷等等,因此,粒子輻射防護是深空探測計劃中非常重要的一環。

太陽上爆發的日冕物質拋射及其伴隨的太陽高能粒子
太陽上爆發的日冕物質拋射及其伴隨的太陽高能粒子

  另外,火星星表輻射環境也非常重要,火星軌道上的輻射劑量大約是國際空間站軌道的2~3倍,給未來載人火星探測的輻射防護也帶來了巨大壓力。

  等離子體環境的挑戰

  其次,深空探測器的測控通信面臨著深空等離子體環境的挑戰,主要來源是充斥整個日球層的太陽風。

行星際空間中的太陽風模擬示意圖(其中黃色和紅色圓點分別是地球和火星)
行星際空間中的太陽風模擬示意圖(其中黃色和紅色圓點分別是地球和火星)

  深空探測器升空後與地球之間的唯一聯繫就是深空測控通信系統,該系統負責科學數據和遙感數據的傳送,對深空探測器進行跟蹤並指揮其執行重要任務。測控通信依賴電磁波在探測器和地球之間的傳播,地球與月球上的探測器之間通信一次僅需1.35秒,而當無線電信號從地球到火星探測器的傳播路徑距離較大,最遠距離時通信一次就需要長達22分鐘。

地火通信示意圖
地火通信示意圖

  探測器至地球連線上的太陽風等離子體對於電磁波的傳輸具有重大影響,不規則的等離子體團可能使得電磁波出現折射、反射等現象,引發電磁波的幅度閃爍、頻譜擴展、相位閃爍等等。因此,太陽風等離子體環境,尤其是行星際日冕物質拋射等太陽爆發活動,對於深空探測計劃的測控通信具有非常重要的影響。

  太陽電磁輻射環境的影響

  再者,深空探測器的測控通信也受到太陽電磁輻射環境的影響。

  由於公轉軌道的差異,火星位於太陽背面附近的20天內(如圖所示黑色區域內),電磁波會經過太陽附近的強輻射區,通信信號被太陽遮擋或干擾,探測器將處於“失聯”的危險境地,如果遇到險境或需要精細的軌道操作,地球上無法發出任何有效指令到達探測器,一切都要依賴探測器的“自主智能”了。

太陽、地球和火星相對位置示意圖
太陽、地球和火星相對位置示意圖

  火星大氣、沙塵等環境的影響

  最後,火星的大氣、沙塵等環境也對火星探測器的定軌、著陸等過程有重要的影響。

火星表面(左)和沙塵覆蓋的火星(右)
火星表面(左)和沙塵覆蓋的火星(右)

  月球並沒有大氣,月球探測器著陸的過程是在約12分鐘內從15公里的高度減速降落到月球表面,而火星探測器環繞火星和著陸火星需要面臨的環境就複雜得多,火星著陸器需要在約7分鐘內從125公里的高度減速降落到火星表面,由於沒有足夠的數據支援模擬火星大氣、沙塵等環境,未知環境因素帶來了更多的技術挑戰;另一方面,考慮在火星附近時,探測器定軌精度和測速誤差分別約100公里和1-10m/s(數據引自1),如此大的誤差加上通信的時長,著陸火星顯然對探測器自主控制系統的要求極高。

  祝福:

  中國科學院空間環境預報中心承擔了我國航天任務的空間環境保障,包括載人航天、探月工程和空間科學衛星等,現在正與用戶單位密切合作,提供火星探測相關的深空環境預報和保障服務。

  深空探索的人類歷史是一步一步艱難推進的,每一次深空探索任務都承載著數代人的夢想和努力,克服了無數的艱難險阻,獲得的珍貴數據也極大地推進了科學發展。讓我們祝福經曆疫情仍然衝向火星的三位勇士——我國的“天問一號”、美國的Perseverance、以及阿聯酋的Hope!

  美國和中國都公佈了於2030年前從火星取樣返回地球的計劃,在更遠的未來,也許我們真的能建立火星空間站、火星生態倉,最終實現“移民火星”的人類夢想呢!

  來源:中科院之聲

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