天問一號為什麼要選擇在海南文昌發射,科學家:背後大有深意

2020-11-24 鍾銘聊科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

我國火星探測項目天問一號即將要發射了,此次探測火星和以往不同的是,天問一號同時要完成三項任務:火星環繞,登陸,火星表面探測。在此之前,從來沒有一個國家能同時完成這三項項目。如果我國天問一號項目能夠成功,則刷新了人類探索行星的歷史。

為了更好地了解我國天問一號項目,我們就先從天問一號的發射開始說起。

天問一號發射日期

天問一號的名字來源,來自屈原的長詩《天問》,寓意:探索真理之路漫漫,追求科技不斷創新永無止境。

你有沒有注意到,最近一段時間,阿聯、美國以及我國都有火星探測器發射計劃,像是上趕著一樣,大家都集中在最近一段時間。

之所以會如此,是因為最近一段時間屬於發射火星探測器的窗口時間。我們知道,火星,地球雖然都是太陽系的行星,但各自有各自的軌道,在運行到不同軌道時,兩者的距離也不同。

火星與地球距離最遠時達到了4億多公裡,最近時只有5500萬公裡。在火星與地球距離最近時,這種天文現象也叫做「火星衝日」。

火星衝日並不是年年都會有,而是每隔26個月會出現一次。但是火星衝日並不是人們發射火星的最佳時期,這是因為雖然此時的距離最近,但是此時火星探測器無法借力,所耗費的燃料較多。

所以一般人們會選擇火星衝日前的兩三個月左右發射探測器,此時火星探測器可以沿著霍曼軌道飛行到火星,雖然沿著這條軌道需要的時間更多,距離更遠,但是所耗費的燃料更少。

所以今年10月份地區才會迎來火星衝日,但阿聯、美國以及中國都選擇在7月份左右發射火星探測器。

發射火星探測器的地點

我國酒泉有一個火箭發射基地,但是今年並沒有選擇在酒泉進行發射,而是選擇了海南文昌火箭發射基地。之所以選擇這裡,其實背後大有深意。

首先,由於地球的自轉以及自轉軸的存在,所以單位時間內地球的不同地方所走的距離是不同的,也就是線速度不同。其中越靠近赤道,線速度越大,所以有坐地日行八萬裡的說法;而越靠近極地,線速度越小。

火星探測器為了更節省燃料,自然也會利用地球赤道的線速度,這是因為線速度越大,對發射器的推力也越大,相當於把火星發射器「甩出去」了。

天問一號的發射方向是向東發射,這是因為地球是自西向東轉,向東發射能夠藉助於地球的自轉,節省燃料。

火星探測任務

我國的天問一號的探測任務一共有三大項:環繞火星飛行、著陸以及探測,在過去從來沒有國家敢把這三項放在一起,因為這三項的每一項難度都非常高,稍有不慎就會導致探測計劃失敗。

首先是環繞火星,環繞火星的難度主要在於人類不能操控,這是因為火星距離地球非常遠,而人類發射的火星探測器想要將信號傳輸給地球,至少需要22.3分鐘,當人類收到信號再傳輸給火星探測器時,又需要22.3分鐘,這意味著一個簡單的指令至少需要44.6分鐘才能傳遞並被接受到。所以火星探測器在接近火星時,只能依靠提前設定好的程序減速,一旦遇到突發情況,或者是數據不準,那麼火星探測器將可能無法被火星引力捕捉,也就無法圍繞著火星轉動。

我們知道,火星距離地球直線距離最近時達到了5500萬公裡,而火星探測器飛行了這麼長距離的時間,難免會出現意外,速度一旦與原來的數據不準,就有可能導致探測計劃失敗。所以環繞火星飛行是我國天問一號面臨的第一個問題。

天問一號面臨的第二大挑戰是著陸,在過去火星探測器從太空中降落到火星表面需要7分鐘,而這7分鐘又被稱之為「恐怖7分鐘」,這是因為火星上的大氣非常不適宜著陸。同樣的,在這7分鐘裡,遠在地球上的人類也無法操控,因為信號延時的緣故,在這7分鐘裡,無論火星探測器遇到什麼情況,只能依靠自己解決,所以大多數火星探測車都在這個階段失敗了。

天問一號面臨的第三大挑戰是探測,火星探測器要選擇適宜著陸的地方,這是因為火星探測器的能量來源是太陽能,如果到了一個照射不到太陽的地方,那麼火星探測器將無法工作。

雖然從文字上看,這三個挑戰都不是特別難,但實際上人類歷史上一共發射過40多顆火星探測器,但只有8顆成功著陸並正常工作,從概率上可以看出探測火星有多難,而我國此次發射的天問一號又是一次性要克服三大難題,可想而知挑戰有多大。

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