鋼哥的科學驛站 | 「天問一號」的火星之路,降落時的「恐怖7分鐘」
2020-12-01 金羊網鋼哥的科學驛站 | 「天問一號」的火星之路，降落時的「恐怖7分鐘」
金羊網 2020-11-02
中國的「天問一號」究竟有何神奇之處，探尋火星的道路有多艱難？
文、圖/羊城晚報全媒體記者 李鋼
今年7月23日，中國發射了火星探測器「天問一號」，漫漫長路，它將經歷4億公裡的旅途，去探究那顆紅色星球的秘密。中國的「天問一號」究竟有何神奇之處，探尋火星的道路有多艱難？
由廣州市科技局、廣東科學中心、羊城晚報社共同主辦的第77期珠江科學大講堂，邀請到了國際宇航聯衛星商業應用專委會亞太辦主任、航天科普專家朱林崎研究員，在廣州華陽小學進行了關於「天問一號」以及火星探測的科普講座。
每26個月等一次的發射窗口期
朱林崎說，在太陽系的8大行星中，地球和火星挨得很近，但是彼此之間的距離是在不斷變化的，最遠的時候為4億公裡，最近的時候為5600萬公裡，以人類現在的航天能力，能夠在6個月至10個月時間裡，從地球到達火星。
7月23日，中國發射「天問一號」，7月19日，阿聯發射了火星探測器「希望號」，7月30日，美國火星探測器「毅力號」也發射升空。為什麼各國都集中在7月發射？
對此，朱林崎說，由於火星和地球之間的距離是在不停的變化，呈現一個由遠到近和由近到遠、周期性重複的過程。其重複的周期大約為780天，也就是26個月左右的時間。因此，要發射探測器，就得在最合適的時間進行，所以才會出現扎堆7月發射的情況。
或許，火星是老年版的地球
火星上一片荒涼，可是，人類為什麼要執著地前往？
朱林崎介紹說，地球和火星除了離得近，還長得像。兩者都是巖質行星，兩者的結構也很像，都仿佛雞蛋一樣，有類似雞蛋殼、蛋清、蛋黃的結構層。並且，火星的直徑是地球的二分之一，質量是地球的十分之一，所以，火星就像是迷你版的地球。
除此之外，火星和地球一樣，不僅有圍繞地球的公轉，也有自轉，而且傾斜自轉的角度也很接近。但是，由於火星距離太陽較遠，所以它繞太陽一周要687天，也就是說，火星上的一年相當於地球上的兩年時間。火星地表的溫度和地球差別也不是很大，在零下140攝氏度至30攝氏度之間，平均氣溫是零下63攝氏度，
有意思的是，科學家們用數據推測出了38億年前的火星，其地表也有流動的水，或許也有生命，很像如今的地球，所以，科學家們認為，現在的火星，或許會是地球「老」了之後的樣子。深入探索了解火星，目的之一就是要防止地球變得像火星那樣，不適合人類生存。
不僅如此，人類還設想要將火星改造成為第二個家園。按照科學家們的分析，金星、地球和火星處在太陽系的宜居帶，都有孕育生命的可能性。所以，科學家提出了將火星地球化的想法，逐步改造火星，將它變得和地球更加相似，更適合人類的居住。
根據現有探測結果，科學家們已經找到了火星上有水冰的證據，冰湖的體積達到了220平方公裡，而且很有可能還存在著液態的地下水。科學家們正在進一步對火星上的生存環境進行分析，並提出了適合著陸地區和適合拓荒的地區。
降落火星要經歷恐怖7分鐘
「天問一號」的發射成功，並不意味著探測任務的成功，只能說是只是邁出了火星探測的一小步。
朱林崎說，在近60年間，人類總共完成了44次火星探測任務，其中只有22次成功抵達火星或者部分成功，而如果嘗試著陸火星表面，在20次嘗試中，僅有8次著陸成功或者部分成功，成功率僅不到一半。按某些專家的比喻，其難度就好比在快速飛翔的滑翔機上扔出一塊石頭，在很遠的距離上擊中公路上行駛的汽車天窗，然後再掉進司機的水杯裡。
此外，由於地火相距遙遠，所以從地球上發射一個信號給火星探測器，最長可能有23分鐘的時延，因此在飛行的過程中，探測器要自主解決很多關鍵問題，對於探測器本身的技術要求很高。
而如果探測器要著陸火星表面，則要經歷「恐怖7分鐘」。
朱林崎說，在這七分鐘的時間裡，探測器要從2萬公裡的時速降到零，減速的過程要進行1000多個精準動作，通過地球上的信號控制，由於時延的關係，根本不可能實現，因此，就要靠探測器本身來完成。以「洞察號」火星探測器為例：
首先，探測器要利用火星大氣層來進行減速，而且探測器切入大氣角度必須是12度，角度過大，會撞向更為厚重的大氣層，因為摩擦溫度太高而燒毀，角度太小，會被大氣層反彈回太空。
第二步，要在距離火星表面16公裡的高度打開降落傘進行降速，這一打開降落傘的高度也必須保證無比精準，打開太早，降落傘會被氣流撕裂，打開太晚，就來不及減速而撞向火星表面墜毀。
第三步，探測器要依靠反推發動機產生向上的推力，減少探測器快速下降的速度，在22秒鐘之內保證把速度降到8公裡每小時。但是，在探測器觸及火星地表的一瞬間，發動機必須馬上熄火，否則探測器就會翻倒。
整個過程可謂是驚心動魄，任何一個環節稍有差錯，探測任務只能宣告失敗。歐洲曾經發射了一枚探測器，僅僅因為一秒鐘的誤差而墜毀。
「天問一號」：首部一箭三連的探測器
對於人類探測火星的歷史，最早可以追溯到四百多年前的伽利略。這位科學先驅用自製的望遠鏡對火星進行了觀測。上世紀60年代，蘇聯有史以來第一次發射了火星探測器，雖然結果是以失敗告終，但是就此開啟了人類利用火星探測器去探索火星的歷史。
1964年11月28日，美國發射了「水手4號」火星探測器。「水手4號」拍攝了第一張火星表面的照片，讓人類第一次看到了火星上充滿隕石坑的畫面。60年來，總共有7個國家和地區進行了火星探測。
朱林崎說，目前人類使用的火星探測器有三種，一種是圍繞著火星轉圈的環繞器，主要的任務是實施在軌探測和信號傳輸；一種是著陸器，要抵達火星表面進行原地探測，還有一種是能夠在火星表面運動的火星車。而「天問一號」是一部能夠同時實現這三種功能的探測器，如果成功抵達火星，將會是人類歷史上首個一次完成火星環繞、著陸和巡視三項任務的探測器，實現深空探測任務跨越式發展。
文昌「航天之父」到場為小院士頒獎
在大講堂的現場，還舉行了廣州華陽教育集團少年科學院第二批小院士、科技小達人、金牌探索娃的頒獎典禮。
據了解，廣州華陽教育集團少年科學院成立於2019年5月24日，在過去一年多的時間裡，華陽少年科學院通過定期的每月「三個一」活動：一次科普講座、一次科學實踐活動、一次科學節目，還有不定期的「探索娃在研究」等活動，紮實推進了華陽教育集團的科技教育工作，期間湧現了許多具有較好科學發展素質，有較強科普意識和動手能力的孩子。海南文昌「航天之父」、國際宇航科學院院士何質彬還到活動現場為小院士們頒獎。
編輯：白茶
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