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火星探测,我们的征途是星辰大海!

 功名何缺屠狗辈 2020-07-23

遂古之初,谁传道之?

上下未形,何由考之?

冥昭瞢闇,谁能极之?

                  ——屈原《天问》

  相信很多关心科技圈的小伙伴,都听说了这么一个新闻:“我国的天问一号火星探测器将搭载长征五号遥四火箭,于海南文昌发射基地整装待发。目标,火星!”最近网络上关于天问的科普文章和视频也是层出不穷。今天小编就蹭一波热度,用自己浅薄的知识,写一篇火星探测的科普文章。


为什么是火星?

  相信很多,平时关注。航天新闻的朋友会发现这么一个问题。在外太空探索上,人类为什么老是和月球跟火星死磕?

  实际上不是人类想和他们死磕,而是没得选。以人类目前的技术水平,能够探索的星球只有三个。金星,火星,月球。

  月球作为地球的卫星,是距离人类最近的星球。正所谓近水楼台先得月,所以花大力气探测月球没什么问题。


  下面,让我们来看看金星。金星作为太阳系当中距离地球最近的行星,同时也是最像的兄弟。但它的环境对于人类来说是地狱。

  从1967年开始,苏联连续发射飞行器对金星地表进行探索。终于在金星四号,五号,六号,七号……前赴后继地送人头之下,人类终于得到了关于金星的详细数据。

  金星地表大气压是地球的90多倍,平均温度高达470多度。也就是说,人类如果站在金星表面。会先被金星的大气压拍成肉饼,然后再被高温烤熟。另外,金星火山活动频繁,硫化物在大气层内大量囤积,时不时还会来一场刺激的硫酸雨。


  不过好在上帝为你关上一扇门,还会为你开一扇窗。下面让我们看看二号选手,火星。

  虽然火星的条件是要磕碜一些,但比起月球和金星。那绝对是两室一厅与地下室的差距。

  火星冬季的气温虽然会低到零下130多度,但他夏季的气温是可以高到30多度的。而且根据近年来的探测数据,火星相比于金星和月球,拥有大量的水分,其中大部分囤积在火星古老海洋遗留下的极地冰盖当中。

  相比于月球,工业生产所需的主要元素。火星都有庞大的储量。而且农业生产所需要的主要元素,氮磷钾氧,在火星上的储量也不低。这为将来可能出现火星的工业和农业,提供了物质基础。不然物资光靠地球运输的话,且不说来不来得及,就这烧钱的程度,估计就能让一些航天局破产。

  所以综合对比之下,人类目前只能在火星和月球死磕?


各国火星任务对比




  通过阅读上表,细心的朋友,可能会发现一个有趣的现象。火星估计是和战斗民族八字犯冲,对于战斗民族的火星探测器非常不友好。苏联和俄罗斯总共发射了数十次探测器,成功的次数一只手都能数过来。而反观美国,则是越战越勇。到了01年至13年,八次任务全部成功。此情此景,感觉中国要去厕所安慰一下哭晕的俄罗斯了。

  


  目前火星任务成功的国家有美国,苏联,白象,再算上一个欧洲联盟。其中更是在火星探索方面傲立于蓝星之巅,成为唯一一个成功登陆火星表面的国家。其中苏联最接近成功的一次是1971年的火星三号,在进入火星大地的怀抱之后,成功坚持14.5秒,然后死机。

11年的时候,中国就开始馋火星身子了。当时我们造了一颗萤火一号,并且与俄罗斯一拍即合。准备搭俄罗斯福布斯号的顺风车一起去火星。当时中国的要求也没多高,就希望进入火星轨道,拍两张照片意思意思。顺带和俄罗斯交流交流技术,增加一下感情。但俄罗斯是心比天高,计划要让福布斯号在火卫一上完成“绕落归”三步走,创造一个世界纪录,杀杀美国的锐气。结果……探测器在近地轨道第二次变轨的时候失败,然后在蓝星母亲的引力之手下被拉回怀抱。

  之后的几年中国就老实了,一直在稳扎稳打攒经验。11年之后又过了两年,不信邪的白象出来了。他们朝火星发射一颗曼加里号探测器,不得不说,白象在宇宙空间探索上还是有两把刷子的。这颗探测器成功到达了火星轨道,并让白象成为了蓝星上第一个,第一次火星探测就成功的小伙伴。成功挤入蓝星深空探测俱乐部。

  又到了两年一度探测火星的最佳发射窗口期。今年不止中国的天问一号,还有美国的毅力号火星探测器,以及日本出场地和火箭,NASA出技术,阿联酋出钱的希望号火星探测器。

  其中美国雄心勃勃,要让毅力号成功带回火星土壤样本,秀一下自己的肱二头肌。另外,让中国感到惊讶的是,一向在航天方面,作为小透明的阿联酋,也来掺一脚了。不过这也是件好事,毕竟在外太空探索方面,多一个小伙伴,多一份力量。


技术问题

  下面让我们来看一下。从蓝星到火星,会遇到哪些问题?

  脱离地球引力:地球上的物体要想进入外太空。最起码要达到第一宇宙速度7.9km/s,而想要摆脱蓝星引力的影响,就需要达到第二引力速度11.2km/s,在目前运载火箭有效运载量有限的情况下。必须能节省一点燃料,就节省一点。所以这个时候就需要像蓝星妈妈借力,利用地球自西向东的公转和自转,向东发射。而纬度越低的地方线速度越大。所以这次发射选择在了,纬度最低的海南文昌发射基地。

  这火星探测方面有一段时间是非常重要的,那就是每隔大约26个月一次的,最佳发射窗口期,这一段时间地球和火星的距离是最近的。如果错过,就要在等26个月之后。这也是为什么美国和阿联酋,也会在这一段时间扎堆发射的原因。

  


  变轨:实际上,这飞行器前往火星的过程中走的并不是直线,它需要经历一系列复杂的变轨,才能最终到达火星。而且在前往火星的太空飞行的过程中,大部分时间飞行器的发动机是关着的。这是因为太空中阻力非常低,而且飞行器相对于太阳来说,是一颗卫星,飞行器会在太阳引力的作用下进行绕太阳公转。理论上,如果不出现什么意外情况,只有在脱离行星引力,或者进入行星轨道的时候进行变轨,才需要消耗燃料。


   这就需要说到一个概念,霍曼转移轨道,又称双切线轨道。要让飞行器从蓝星到达火星。我们要让它进入环绕大阳的轨道,并使它的轨道与蓝星和火星轨道相交。要让飞行器从蓝星到达火星,我们要让让它进入一个在近日点与地球绕日轨道相切的轨道。并在火星远日点与火星轨道相切。如图所示。而这个时间需要0.7年,也就是说,前往火星大约需要255天。

  在这个过程中,很有可能会出现一些变数。如果有一颗小行星恰好与飞行器轨道相交,不需要撞上,很有可能它就能凭借自身的引力,扰乱飞行器的轨道。而飞行器的燃料都是精打细算好的。一点燃料的减少,都有可能导致最后任务的失败。


  进入火星轨道:最终天问一号在经过艰难险阻之后,终于要进入火星轨道了。这个变轨是非常危险的,因为蓝星与火星的距离导致有十几分钟的时间差,电磁信号来回要几十分钟。所以无法做到实时精准遥控,不然真的遥控的话,恐怕黄瓜菜都凉了。这个阶段只能交给飞行器内部的计算机了。

  在经过艰险的变轨之后,天问一号进入火星轨道。天问一号主要分为两部分,分别是轨道环绕器和着陆巡视器。在这个阶段,轨道环绕器上的中分辨相机,高分辨相机,火星磁强针,火星矿物光谱探测仪,次表层探测雷达,火星离子与中性粒子探测仪,火星能量粒子探测仪就可以开始工作了。给火星拍几张高清照片,并获取一些宏观数据。另外,由于火星的磁场非常弱。所以天问一号还要加装能够侦测和抵御太阳风的部件。

  但众所周知,天问一号的任务可并不仅仅是环绕和拍照这么简单。所以,终于到了最后着陆的时候。这个时候的风险也是非常大的,火星着陆与月球着陆和地球着陆都不一样。


  着陆:月球没有空气,所以不用考虑加装沉重的隔热层,只需要开启反向推进器和软着陆即可。地球的大气层很厚,基本不需要反向推进器,大部分依靠降落伞进行减速,但需要加装很厚的隔热层。火星大气层虽然相比于地球很薄,但也会产生摩擦热量,需要给着陆器加装隔热层。并且由于空气阻力不够,所以不能光靠降落伞,还得加装反向推进器。大大增加了飞行器的载荷,挤占了燃料空间。而且这个过程也受到时间差的影响,整个过程持续约7分钟,被很多人称为黑色七分钟。在这个过程中,只能依靠着陆器内部的计算机进行随机应变。

  着陆之后也不要高兴的太早。苏联的探测器残骸可还在火星地表看着我们。火星的地表环境非常复杂,当年苏联的探测器在火星着陆的有两个,一个落地即升天,另一个在工作20秒之后遇到沙尘暴而损坏。

  还有,如果降落在复杂地貌。无法给着陆器的太阳能电池板提供有效的光照,恐怕着陆器就不能持续工作。也会给后续的火星车造成巡回困难。


  巡回:如果天问一号撑过重重险阻。并且在内部火星车没有损坏的情况下。最终释放出火星车。那么恭喜中国,成为蓝星第一个,一次性完成环绕,着陆,巡回火星探测任务的国家。

   之后火星车上的多光谱相机,次表层探测雷达,火星表面成分分析仪,火星表面磁场分析仪,火星气候测量仪,以及地形照相机。就可以大显神威,获取一系列珍贵资料。

  在太阳光照的情况下持续待机,并以每小时200米的速度,并以30厘米的越野高度在火星表面进行探测科研。

  同时还要预防可能出现的火星沙尘暴,以及复杂的火星地貌。

 

结语

  可以说这次天问一号的任务是地狱级难度。无论这次天问一号,能否成功。这都是让所有中国人感到振奋的事情。当然失败也没有关系,人类在探索太空当中出现了许多失败。

联盟1号 历史上第一次载人航天事故

阿波罗4A 三名美国宇航员牺牲

挑战者号 七名宇航员牺牲

联盟11号 三名苏联宇航员牺牲

哥伦比亚号 七名人类精英牺牲

……

  这些是为了人类航天事业牺牲的英雄。没有人知道这份名单还会不会增加,但这并不能阻止人类迈向宇宙的脚步!

  太空无人探测器失败的案例不胜枚举,但即使天问一号失败了。我们仍然会感谢那些为之奋斗的航天人,并继续支持你们!

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