我國(guó)火星探測(cè)器"螢火一號(hào)":搭順風(fēng)車奔火星

      

        火星探測(cè)項(xiàng)目是繼載人航天工程、探月工程之后我國(guó)又一個(gè)重大空間探索項(xiàng)目，也是我國(guó)首次開展的地外行星空間環(huán)境探測(cè)活動(dòng)。這一項(xiàng)目由我國(guó)與俄羅斯合作開展。據(jù)介紹，“螢火一號(hào)”有關(guān)的探測(cè)任務(wù)，包括探測(cè)火星及其空間環(huán)境、探尋火星“水為什么消失的秘密”、揭示類地行星空間環(huán)境演化特征等，從而為我國(guó)下一步的深空探測(cè)打下基礎(chǔ)。

    “螢火一號(hào)”主要任務(wù)是探測(cè)火星附近空間環(huán)境，為我國(guó)下一步深空探測(cè)打基礎(chǔ)

    在浩瀚的宇宙中，地球像一個(gè)孤獨(dú)的孩子。太空中還有別“人”嗎？從第一個(gè)仰望星空的人開始，人類就沒有停止過對(duì)地外生命的探索。而火星，這個(gè)已知的和地球自然條件最接近的星球一直是人們探索目標(biāo)。在俄羅斯、美國(guó)、日本、歐洲相繼發(fā)射火星探測(cè)器之后，我們中國(guó)人，也要去火星上空一看究竟了！

    近日，記者獨(dú)家專訪到火星探測(cè)器“螢火一號(hào)”項(xiàng)目的參與者、北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院徐世杰教授，為你揭開我國(guó)第一顆火星探測(cè)器的神秘面紗。

    ——衛(wèi)星解讀——

    “螢火一號(hào)”長(zhǎng)著三對(duì)大“翅膀”

    “螢火一號(hào)”的個(gè)頭兒小，只有110公斤，和它的美國(guó)前輩“勇氣號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”180公斤，以及計(jì)劃將要發(fā)射的新型火箭車600公斤的體重相比，“螢火一號(hào)”算得上是火星探測(cè)器家族中的“輕騎兵”“小個(gè)子”。

    它主體部分長(zhǎng)75厘米，寬75厘米，高60厘米，兩側(cè)共有6塊太陽能帆板，展開7.85米。如此小巧玲瓏的身體上卻長(zhǎng)出三對(duì)大“翅膀”，只因火星上太陽光照強(qiáng)度低，只有地球的二分之一左右，帆板要夠大才能給“螢火一號(hào)”提供充足的能量。

    ——飛天軌跡——

    搭火衛(wèi)一的“順風(fēng)車”

    “螢火一號(hào)”如何上天，也是人們關(guān)心的問題。由于我國(guó)目前還沒有獨(dú)立探測(cè)火星的能力，“螢火一號(hào)”只能搭乘俄羅斯的“天頂”號(hào)運(yùn)載火箭上天，與它同時(shí)上火星的還有俄羅斯的火衛(wèi)一探測(cè)器“福布斯—格朗特”(亦稱“福布斯—土壤”)。

    今年10月，“螢火一號(hào)”將會(huì)被發(fā)射上天。屆時(shí)，“一箭雙星”將在距地面200公里的遠(yuǎn)軌道飛行4小時(shí)，然后飛到距地面1萬公里的過渡橢圓軌道做26小時(shí)的無動(dòng)力飛行。之后，伴隨著火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)的再次啟動(dòng)，“螢火一號(hào)”徹底告別地球，進(jìn)入從地球到火星的雙曲線軌道，和“福布斯”同甘共苦地共同飛行11個(gè)月。在聯(lián)合飛行的過程中，兩顆衛(wèi)星通過電纜連接在一起，“螢火一號(hào)”的能量由“福布斯”供給。

    “螢火一號(hào)”將飛行3.5億公里

    到達(dá)火星軌道后，火箭會(huì)找一個(gè)相對(duì)合適的位置把“螢火一號(hào)”放下。這個(gè)位置非常重要，它和“螢火一號(hào)”的速度和方向共同決定了將來火星探測(cè)的起點(diǎn)。為什么不能是“絕對(duì)”合適呢？因?yàn)榛鸺系?ldquo;福布斯”還要探測(cè)火衛(wèi)一，只能在探測(cè)火衛(wèi)一的路上把“螢火一號(hào)”放到一個(gè)相對(duì)合適的位置。

    “就像搭別人的順風(fēng)車，很難要求人家把你送到家門口，只能路上找個(gè)合適地方把你放下，你再自己想辦法走剩下的路。”徐世杰打了個(gè)形象的比方。

    到2010年8月之后，兩顆衛(wèi)星正式分道揚(yáng)鑣，“福布斯”將轉(zhuǎn)途去探測(cè)“火衛(wèi)1”。“螢火一號(hào)”則進(jìn)入繞火星的橢圓形軌道，在“近火點(diǎn)”(距離火星最近的點(diǎn))800公里、“遠(yuǎn)火點(diǎn)”80000公里、軌道傾角正負(fù)5度的火星大橢圓軌道上，展開它的太陽帆板，正式開始履行它的火星探測(cè)使命。

    整個(gè)過程，“螢火一號(hào)”將飛行3.5億公里。 
    
    ——重要任務(wù)——

    探測(cè)火星附近空間環(huán)境

    “螢火一號(hào)”去火星做什么？徐世杰告訴記者，它的主要任務(wù)是拍照和探測(cè)火星附近空間環(huán)境，為我國(guó)下一步火星探測(cè)打基礎(chǔ)。

    “螢火一號(hào)”攜帶的行李中有幾件“重型武器”：光學(xué)成像儀，將對(duì)火星和火衛(wèi)一進(jìn)行攝影；磁通門磁強(qiáng)計(jì)，測(cè)量火星上空的磁場(chǎng)強(qiáng)度、太陽輻射強(qiáng)度和高能粒子等等，了解火星外環(huán)境；掩星探測(cè)接收機(jī)，用“掩星法”探測(cè)火星大氣層和電離層，信號(hào)從火星到達(dá)地球時(shí)，可以通過火星大氣層對(duì)信號(hào)的折射作用了解火星大氣的情況；等離子探測(cè)包，探測(cè)火星周圍的等離子態(tài)。

    探測(cè)火星表面水消失之謎

    火星上到底有沒有生命？這是人們最想知道的問題。水是生命的象征，徐世杰告訴記者，美國(guó)發(fā)射的著陸探測(cè)器“鳳凰號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”和“勇氣號(hào)”都發(fā)現(xiàn)了水的痕跡。探測(cè)器一鏟子下去露出了白色的物質(zhì)，第二天白色痕跡消失了，這說明可能是水分蒸發(fā)了，但也有可能是干冰。目前水的痕跡發(fā)現(xiàn)很多，但并沒有直接發(fā)現(xiàn)水，所以還不能最后確定火星上是否有水。

    “螢火一號(hào)”一個(gè)重要任務(wù)是探測(cè)研究火星表面水的消失機(jī)制。

    徐世杰說：“水是火星存在生命的必要條件，但不是充分條件。微生物會(huì)釋放甲烷，所以甲烷曾被看做是微生物存在的證據(jù)。對(duì)火星生命的探測(cè)估計(jì)還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。”

    ——面臨挑戰(zhàn)——

    北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院焦維新教授曾說過，在航天界，火星有航天器的墳?zāi)怪Q。火星探測(cè)初期有三分之二的探測(cè)器都以失敗告終。

    徐世杰證實(shí)了這個(gè)說法：“探火星風(fēng)險(xiǎn)比較大。我做過統(tǒng)計(jì)，到去年12月為止，人類共發(fā)射了38個(gè)火星探測(cè)器，只有20個(gè)成功。上世紀(jì)60年代初期開始的第一階段失敗尤其多。發(fā)射幾小時(shí)后爆炸的、發(fā)射后失去信號(hào)的、登陸失敗的……各種情況都有。而成功的定義是順利完成撞擊、飛掠、繞火、登陸等預(yù)定任務(wù)。”

    那么，我們的“螢火一號(hào)”將要面臨哪些困難呢？

    面臨-200℃的嚴(yán)寒考驗(yàn)

    “螢火一號(hào)”，面臨的最大挑戰(zhàn)就是來自火星的嚴(yán)寒。

    在整個(gè)探測(cè)過程中，它將遭遇7次所謂“長(zhǎng)火影”的長(zhǎng)期火星陰影，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8.8個(gè)小時(shí)。此時(shí)，火星將運(yùn)行至探測(cè)器和太陽之間，主要依靠太陽能的“螢火一號(hào)”為了保存能量，不得不進(jìn)入休眠狀態(tài)。然后，它在“長(zhǎng)火影”結(jié)束后再加電喚醒。而經(jīng)過8.8個(gè)多小時(shí)的休眠，“螢火一號(hào)”的周圍環(huán)境溫度達(dá)到-200℃以下，過低的溫度會(huì)影響機(jī)器休眠時(shí)的運(yùn)行，如果機(jī)器被“凍死”，就不能在通電后“活”過來。“‘長(zhǎng)火影’是小家伙不得不過的一道關(guān)。”

    遙控遙測(cè)是制約瓶頸

    “目前制約‘螢火一號(hào)’奔向火星的瓶頸還有遙控遙測(cè)，”徐世杰坦言：“‘螢火一號(hào)’拍攝照片后，如果我們無法接收這樣的微弱信號(hào)，就必須將數(shù)據(jù)傳給俄羅斯，再由俄羅斯傳給我們。我們還沒有建立像美國(guó)那樣覆蓋全球的深空探測(cè)網(wǎng)。”

    美國(guó)沿經(jīng)度方向每隔120度就設(shè)立了測(cè)控聯(lián)合體，三個(gè)綜合探測(cè)站分別設(shè)在西班牙的馬德里郊區(qū)、澳大利亞的堪培拉附近和美國(guó)加利福尼亞一個(gè)叫金石的小城附近。依靠數(shù)個(gè)拋物面直徑達(dá)到36—70米的大天線，美國(guó)科學(xué)家可以對(duì)微弱的信號(hào)進(jìn)行接收和分析，獲取來自外太空的數(shù)據(jù)。中國(guó)如果依靠國(guó)內(nèi)建測(cè)控站，目前僅能在烏魯木齊和佳木斯設(shè)有兩個(gè)探測(cè)站，覆蓋面有限，一些重大的探測(cè)活動(dòng)還需與俄羅斯、歐空局合作。

    多星定向是極大挑戰(zhàn)

    “螢火一號(hào)”還面臨著如何實(shí)現(xiàn)多星定向問題。徐世杰指出，多星定向是姿態(tài)控制里的難題。往地球傳數(shù)據(jù)時(shí)要對(duì)地球定向；拍攝火星時(shí)儀器要對(duì)火星定向；太陽帆板還要隨時(shí)對(duì)太陽定向，這對(duì)“螢火一號(hào)”的姿態(tài)控制來說是極大的挑戰(zhàn)。這項(xiàng)技術(shù)是否能完美應(yīng)用，等十月“螢火一號(hào)”上天后我們就能一看究竟。

    ■延伸閱讀

    人類勘探火星大事記

    1960年10月10日：蘇聯(lián)向火星發(fā)射第一枚探測(cè)器。4天后，第二枚探測(cè)器升空。但兩枚探測(cè)器均連火星環(huán)繞軌道都沒有到達(dá)。

    1964年11月28日：美國(guó)“水手4號(hào)”開始8個(gè)月的火星之旅，于1965年7月成功收集到第一批對(duì)地球外其他行星的近距離特寫照片。

    1971年5月31日：美國(guó)“水手9號(hào)”升空，成為第一個(gè)火星軌道飛行器。它首次拍攝到火星全貌。

    1975年9月9日：“海盜2號(hào)”發(fā)射，實(shí)施了3項(xiàng)生物試驗(yàn)。盡管沒有尋找火星存在生命跡象，但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，火星土壤中存在令人驚訝的化學(xué)活動(dòng)。

    1996年12月4日：美國(guó)發(fā)射“火星探路者”，攜帶“旅居者”號(hào)火星車登陸火星?？茖W(xué)家根據(jù)發(fā)回的大量圖片信息判定，火星曾經(jīng)溫暖和潮濕。

    2001年4月7日：美國(guó)發(fā)射“奧德賽”火星探測(cè)器，目前仍在火星軌道運(yùn)行，測(cè)試火星的地質(zhì)和氣候，試圖尋找火星上生命和水的跡象。2002年，“奧德賽”發(fā)現(xiàn)火星表面和近地表層中可能有豐富的冰凍水，但這一問題目前存在爭(zhēng)議。

    2003年6月10日：攜帶“勇氣”號(hào)火星車的美國(guó)“火星探測(cè)流浪者”號(hào)探測(cè)器發(fā)射升空。

    2003年7月7日：“勇氣”號(hào)的孿生兄弟“機(jī)遇”號(hào)火星車發(fā)射升空。

    2007年2月25日：歐洲航天局的“羅塞塔”彗星探測(cè)器靠近火星飛行，順利完成利用火星引力調(diào)整飛行速度和軌道的任務(wù)。