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火星被稱“航天器墓地” 飛向火星為何這么難?

時間:2011-11-24 14:57  來源:科技日報

  11月22日,俄羅斯聯邦航天署副署長達維多夫在俄地面飛行控制中心對媒體表示,搭載有中國“螢火一號”的“福布斯—土壤”火星探測器飛往火星的可能性已不復存在。達維多夫說,向火星發射航天器的最佳窗口將于本月底關閉,理論上未來幾天內“福布斯—土壤”還有飛向火星的機會。然而,考慮到地面一直未能同探測器恢復聯系,這種可能性已微乎其微。

  “惡劣”火星

  火星被稱為“航天器的墓地”

  火星,這顆距地球最近的紅色行星,讓人類產生過無數幻想。

  火星上到底有沒有生命,是人們最想知道的問題。1962年11月,蘇聯發射了“火星1號”探測器,這被看作是火星探測的開端。從那以后,50年來,圍繞這一問題,蘇聯、美國、日本、俄羅斯和歐洲總共向火星發射了約40顆探測器,把火星地表、巖石和土壤成分作為探測的主要目標,但其中超過60%以失敗告終。也正因如此,火星被稱為“航天器的墓地”。

  神秘火星

  表面很像地球,讓人類產生無數幻想

  作為太陽系九大行星之一,火星上也有四季,每季長6個月。火星表面不像月亮上那樣密布著環形山,而更像地球上的巖石、火山和沙漠區域。由于它表面很像地球,過去人們一直認為,火星是太陽系中最可能有生命的一個星球。甚至有許多科學幻想小說里,已經出現了“火星人”。

  從蘇聯、美國發往火星的探測器傳回的訊息看,火星是一個荒蕪、寂寞的曠野,布滿了沙丘、巖石,氣候像沙漠那樣干燥,比南極洲還要寒冷得多。火星上的大氣基本上是二氧化碳。但是,科學家們還發現,火星上有的地方水蒸氣比較多,地球上的許多生物在這種條件下也可以生存。

  距離遠

  4億公里的地、火距離導致遙控遙測困難

  雖然讓人類產生很多幻想,到火星“串門”卻很難。

  首先是距離遠。迄今為止,我國的太空探測器所到達過的最遠位置,是日—地系統的“拉格朗日點”的2號位置。它到地球的距離大約相當于地月距離——38萬公里的四倍,也就是大約150萬公里。而火星距離地球的最近距離則達5500萬公里,最遠距離則超過了4億公里。如果“螢火一號”到達火星后,與地球的距離將為3.56億公里。

  如果把在星際航行的探測器比作“風箏”,航天測控網就是那一根牽住“風箏”的線。通過這條看不見的“線”,地面控制系統可以對探測器的飛行軌跡、姿態、各個系統的工作狀態進行測量、監視與控制。

  而信號的強度與距離是成反比的,超遠距離會帶來信號衰減和傳輸延時等困難。

  由于地球與火星最遠相距4億公里,需要實施超遠距離的測控和通信,以確保指令的上傳和數據的下傳,這就要求地面測控站的天線孔徑很大,發射足夠大的上行功率和接收來自數億公里遠的火星探測器發回的下行微弱信號。此外,遙遠的地、火距離,還使得信號往返一次至少需要45分鐘,因此,必須要求探測器高度自主完成事先設置好的功能。

  除此之外,火星探測器還面臨著如何實現多星定向問題。多星定向是姿態控制里的難題,往地球傳數據時要對地球定向;拍攝火星時儀器要對火星定向;太陽能帆板還要隨時對太陽定向,這對探測器的姿態控制來說都是極大的挑戰。

  溫度低

  零下200℃左右的環境溫度挑戰探測器性能

  對火星探測器而言,這個星球的嚴寒是一大挑戰。火星上的黑夜被稱為“長火影”,環境溫度達到-200℃左右,最長持續時間達8.8小時。一旦探測器順利抵達火星軌道,它將面臨7個長達8.8個小時的“長火影”。在此期間探測器將得不到太陽能量,環境溫度低于零下200℃, 過低的溫度很可能將探測器“凍死”。只能讓部分部件進入休眠狀態,待離開“長火影”后,這些部件再被輸電“喚醒”。美國“鳳凰”號探測器就在火星的嚴冬中被“凍死”。針對“螢火一號”,上海科研人員曾在地面上做了大量試驗,讓“螢火一號”的太陽能帆板在-190℃時仍能順利打開,在極端環境下也能進行“休眠—喚醒”作業。

  此外,還需要解決探測器深冷溫度環境下的控制問題以及部件的“超低剩磁”控制問題等,這些都是以前地球衛星、月球衛星沒有遇到過的難題。

  美國宇航局蘭利研究中心的沃爾特—恩格倫德說:“我們每次發射探測器飛至火星總會獲得一些經驗,使未來的航天器更先進。我們現已掌握到火星大氣層存在較大的變化,比地球大氣層更富有動態變化。”

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編輯:吳怡

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