即將迎來日淩挑戰,祝融號如何平安度過悠長“假期”

2021年09月07日06:59

原標題:即將迎來日淩挑戰,祝融號如何平安度過悠長“假期”

人民視覺供圖
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太陽不僅是一個巨大的“火球”,也是一台巨大的噪聲製造機。當有天體運行至與太陽、地球同一直線時,太陽發出的強大電磁波便會將天體發出的無線電信號淹沒,使得地球無法與其進行準確通信,從而造成暫時性失聯。

剛剛慶祝完祝融號登陸火星百日,9月它就要失聯了?這則看起來有些聳人聽聞的消息,實則確有其事。大約自9月中下旬開始,包括祝融號、“好奇”號、“毅力”號等在內的眾多火星探測器都將陸續與地球失聯。

但出現問題的並非是探測器,而是火星即將和地球玩起“捉迷藏”的遊戲——它將躲在太陽身後一個多月,對地球避而不見。當然,大家大可不必為此擔心,科學家對此早有準備。

失聯的“禍首”是日淩

在科幻小說《三體》的開篇中有這樣一個情節,主人公葉文潔將太陽當作巨型無線電信號放大器,把地球信號傳向了宇宙深處,最終引來了“三體人”。雖然只是科幻故事,但太陽的確每時每刻都在發射電磁波,傳輸著“信號”。

太陽不僅是一個巨大的“火球”,也是一台巨大的噪聲製造機。它發出的電磁波涵蓋範圍廣,從短波的γ射線、X射線波段,到長波的無線電波段,太陽都兼容并包。因此,當有天體運行至與太陽、地球同一直線時,這種情況通常被稱為日淩。此時,太陽發出的強大電磁波便會將天體發出的無線電信號淹沒,使得地球無法與其進行準確通信,從而造成暫時性失聯。

此次導致祝融號以及環繞器失聯的原因便是如此。以太陽為中心,地球公轉軌道在內,火星公轉軌道在外,形成兩個同心圓。而火星公轉週期與地球不同,約為687天,因此每隔一段時間,太陽、地球、火星三者便會運行至同一條直線。尤其是當火星運行至太陽身後,與地球分置於太陽兩側時,便會造成顯著的日淩影響。

天問一號探測器系統總設計師孫澤洲解釋道,太陽自身龐大的體積不僅會遮擋火星探測器發出的信號,其產生的強烈電磁干擾也會使得地球無法在龐雜的背景噪音中準確分辨出火星探測器的信號,從而造成信號接收困難。同時,地球上傳至火星的信號也會被太陽電磁波所覆蓋,無法準確到達,致使兩者之間的有效通信被迫中斷。“上行無法進行控制,下行數據也很難有效接收。”孫澤洲還補充道,此時恰巧火星與地球之間距離也達到了最遠的3.95億公里。

日淩不僅會對火星探測器造成影響,其對人們日常生活的影響也時有發生。每年春分、秋分時節,太陽直射赤道,而靜止軌道衛星也多運行在赤道上空。此時,太陽、衛星、地球形成一條直線,太陽所發出的電磁波干擾便會影響地球對衛星信號的接收。例如每年春分、秋分前後,世界各地時常會出現電視轉播信號不穩定、電視畫面出現“雪花”的現象。今年2月,國家廣播電視總局便發佈了2021年全國主要城市春季衛星日淩時間預告,稱在2月25日至3月17日期間,用於我國廣播電視節目傳輸的中星6A、亞太5C等衛星進入日淩期,影響包括北京、上海、杭州在內的多座城市電視信號的接收,持續時間從幾分鐘至十幾分鐘不等。

給祝融號放個“長假”

日淩導致火星探測器失聯,雖然聽起來可怕,但祝融號及其環繞器早已做好充分準備。

孫澤洲介紹,在日淩期間,祝融號火星車與環繞器將暫停所有科學活動,轉入安全模式,靜靜等待日淩過去。但他強調,安全模式並不意味著完全停止工作。人睡著後,雖然停止了活動,但仍然需要維持身體各項機能正常運轉。火星車與環繞器也是如此,如環繞器需要依靠自主控制保持自身的飛行狀態,祝融號火星車也要持續獲取能量和進行溫度控制等,以保證在日淩結束後能夠迅速恢復工作狀態。“這個過程中對於探測器自主性的要求可能會很高,因為在一個月甚至更長一點的時間內,需要它們完全自主運行。”孫澤洲說,“我還是比較放心的,相信兩器可以平穩度過日淩。”

這種自信很大程度上來源於在過去的一百餘天內,祝融號及其環繞器優異的工作狀態。“過去的這段時間里,我們已經對兩器各個系統硬件、軟件的運行狀態有了一個全面確認,心裡有底。”孫澤洲還提道,在日淩期間,兩器自身的工作內容會較往常開展科學活動時更為簡單,有助於其在長時間內保持穩定,“這實際上是處於一種靜止等待狀態”。

支撐這種信心的另一方面原因,是完備的前期準備工作。北京航天飛行控制中心責任總師崔曉峰提道,通過對火星公轉週期、公轉軌道等數據的精確計算,早在研製階段,相關團隊便已準確預報了此次日淩的發生時間,並進行了相應準備。例如,除提前設置好相關程式外,在進入安全模式後,祝融號及環繞器還將定期進行自我“體檢”,即故障自主檢測,發現問題後還可進行故障處理、故障重構等,以保證自身狀態平穩。“針對自主運行過程中可能出現的一些問題,我們都進行了提前設計,並且在地面進行過多次測試,基本不用擔心。”此外,崔曉峰也提道,失聯並非完全沒有信號,“三者完全在一條直線上時,可能就沒信號。但如果不是完全的一條直線,可能會斷斷續續有一點信號,我們也會利用非常稀有的信號對兩器進行狀態監測。”

無論面臨什麼情況,祝融號與環繞器都已做好充分準備。等待日淩“長假”結束後,它們也將開啟新的火星探測階段。

中繼衛星或可“破解”日淩困擾

日淩可以說是航天活動中的“常客”。除了此前提到的對赤道上空地球靜止軌道衛星造成的影響外,載人航天、探月工程等航天活動也多次受到日淩影響。如2007年11月,嫦娥一號進行繞月探測時,便曾遭遇過短暫的日淩干擾。但憑藉青島地面測控站18米口徑的巨大天線,地面控制中心成功在日淩期間對嫦娥一號實施了全程監測,沒有發生丟幀與亂碼等情況。

但與鄰近的月球相比,當遠在3.95億公裡外的火星遭遇日淩時,現有通信手段所能起到的作用微乎其微。崔曉峰也指出:“這次日淩是我國曆次航天活動中遭遇的時間較長的一次,時間越長,潛在影響就越大。”

未來深空探測的距離將越來越遠,日淩真的無解嗎?中繼衛星或許是一個可供參考的選項。日淩對航天器通信造成影響的根本原因在於,當太陽、航天器、地球三者幾乎完全處於同一條直線時,航天器與地球間的通訊信號無法躲開太陽的電磁干擾而到達彼此,但中繼衛星或許可以解決這個問題。將其部署在遠離太陽電磁輻射的位置,充當航天器與地球之間的“信使”,便可以使信號繞過太陽抵達對方。

類似的設想其實早在嫦娥四號登陸月背時便已實現。當時為瞭解決嫦娥四號在月球背面無法與地球通信的問題,我國提前發射了鵲橋中繼星至拉格朗日L2點——在月背和地球都可以看得到的位置,充當地月間的“傳聲筒”,使得嫦娥四號可以與地球進行間接通信。而此次天問一號火星探測任務中的環繞器,也同樣擔負了數據中繼的任務,但由於環繞器仍屬於繞火飛行,因此同樣無法避免日淩影響。

隨著未來深空探測走向更遠更深,中繼衛星或許有可能成為有效避免日淩影響的重要工具。但崔曉峰也認為,在目前階段日淩所造成的影響完全可控,“只要做到精確預測、周密準備、精準實施,完全不用過分擔心日淩的影響”。

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