天问一号完成中国首次火星着陆,祝融号火星车填补了哪些人类空白

2021-05-16 08:28:05 科学声音

作者:科学声音 吴京平(平哥)

这次又遇上大事儿了。星期六的早上一觉醒来,传来了一个好消息,祝融火星车已经成功地在火星乌托邦平原的预定地点着陆了。这么大的事儿,我当然要发一个番外篇嘛。为了适应不同的平台,视频版短一点,音频版长一点。

看媒体报道,总设计师还激动地掉了眼泪。说实话,我看着也有点鼻子发酸,这些航天工程师们真的是太不容易了,这是熬过了多少个不眠之夜啊。

这次着陆火星,世界上的各大媒体都做了报道,大的媒体也还比较严谨,但是外国有些网友的留言并不是太友好,各种酸吧。不过,也有真心为我们成就感到激动的,有个老外自己架了一口大锅,专门收听天问一号发出的信号,尽管信号微弱,也无法解码内容,但是可以通过无线电波的多普勒频移来判断天问一号的行为,是变轨啦,还是刹车啦,从频率变化上还是可以猜到的,人家还真是很关心啊。

不管别人怎么说,实实在在的成绩摆在大家面前,谁也无法否认。NASA的副局长托马斯·祖布钦还发了个推特祝贺了一下,NASA的官方账号还转载了。我们确确实实超越了苏联人和欧洲人,成了第二个把火星车送到火星表面安全着陆的国家。在此之前,火星上的探测器主要是美国人的。这也算是我国的航天技术人员又填补了一项国内技术空白。尽管对全球大部分国家来讲,他们连填补空白的欲望都快没了,空着就空着吧。只有我们,咬牙发狠一定要补上这一块。

我们的天问一号火星探测器在环绕火星的轨道上足足转悠了好几个月。一方面是因为行星探测方面我们还是个新手,对火星的地表情况不那么熟悉,需要仔仔细细地把火星观察一遍,寻找一个最合适的降落地点。

图:红色是火星勘测轨道飞行器(MRO)的HiRISE相机影像(~0.5米/像素,300公里高度)覆盖区域,绿色是火星全球探勘者号(MGS)的MOC相机影像(~1.4米/像素,378公里高度)覆盖区域。

尽管此前美国人和欧洲人都拍摄了不少高精度的照片,但是精确度高到每像素0.5米的,还是很缺乏。道理很简单,要拍摄这种超清晰度的照片,拍摄范围就小得可怜,美国人和欧洲人也不过就是对着自己的探测器要降落的地方拍了一点超清晰度的照片,祝融号要去的那一片地方恰恰没拍过。那没办法,只好自己拍呗。

另一方面,对于火星上的气候也需要好好做个记录。因为火星上动辄就刮起全球性的沙尘暴,什么都看不清楚。你要是稀里糊涂地扔下去,天知道掉到哪儿。再说了,降落的具体时间也都是有要求的,最好是趁着阳光普照的时候降落,到了火星表面以后,还有时间来开太阳能板充电。祝融号的肚子里是有个暖宝宝的,也要靠晒太阳积攒热量,在夜里慢慢地释放出来,保证自己不冻死。

祝融号预定的着陆地点是在火星北半球最大的乌托邦平原的南端,具体的位置大概是在北纬25度,东经109度这一片。和美国人的毅力号距离没多远,大概也就是相距2000公里吧。

根据毅力号测量的温度,夜里最冷能到零下80度,白天也都在零下20~30度的样子,都快赶上东北地区的冬天了。不过知足吧,这个温度在火星上就算是比较暖和的了。所以,如果祝融号没有充满电,没有给暖宝宝蓄满了热,后果很严重。

大概在北京时间5月15日的凌晨4点钟,祝融号就和天问一号分离了。几个小时以后才进入了火星大气比较稠密的部分,高度是125公里。说稠密也稠密不到哪里去,但是好歹能为祝融号减速,大不了进入角度小一点,在火星大气之中穿行的距离长一点。

祝融号这个时候的速度是4.8公里每秒。降落到火星上的这个物理过程就是要把祝融号的动能和势能全部消耗光,最后速度和高度都变成0。90%的能量是靠火星稀薄的大气层来消耗的。

火星大气和祝融号摩擦会造成严重发热,所以祝融号必须有一个防热大底在前边顶着。等到了10公里的高度,速度已经下降到了460米/秒,这时候防热大底就可以抛弃了,火星车就露了出来,顶上弹出降落伞来减速。

火星上的空气非常稀薄,因此音速也很低,大概只有240米/秒。所以,即便是祝融号的速度降低到460米/秒,也相当于两倍音速。在超音速状态下开伞,这是一个前所未有的难题。好在我国有各种尺寸的超音速风洞。而且还用探空火箭在地面上充分测试过超音速状态下降落伞的开伞。所以,这一次祝融号在火星大气层里成功地打开了降落伞,把速度从460米/秒降低到了90米/秒。

到了这个时候,降落伞的任务也就完成的差不多了,祝融号的底座伸出了几条腿,准备好着陆。底部的7500牛顿变推力发动机开启反推。降落伞被抛弃,祝融号开启了最后的降落过程。

当距离火星表面还有100米的时候,祝融号需要悬停在空中,开启地形探测设备,找一块合适的地方降落。为了保持姿态,周边的小发动机在在不断地喷气调整姿态。探测器和发动机的配合不能有一点误差,否则最后一步要是摔了,那可就前功尽弃。欧洲的小猎兔犬号就是如此,探测器最后一步摔坏了,没了信号。美国人的海盗二号也差点出事儿,最后一只脚踩到一块大石头,整个机身倾斜了8.2度。前人犯过的错误,我们当然是加倍小心,千万不能再犯。

最后就是祝融号缓缓下降,安全降落到火星表面。这就是祝融号惊心动魄的9分钟。相关的测控数据要再过18分钟才能发到地球上。要知道现在火星离我们有3亿公里的距离,即便是光速,跑起来也要这么长时间。所以,地面完全无法操控,过程又复杂,有一半的探测器没能成功着陆,火星堪称是探测器的坟场。

至此,我们火星探测的绕落巡三步已经走完了前两步。火星车已经到达了火星表面,但是它还没从底座上走下来,还在养精蓄锐。我想电池板都已经打开了,先充电,准备度过火星上寒冷的夜晚。估计怎么也要过几天才能下来走动走动。

祝融号上携带了好几台科学仪器。桅杆顶上的两台相机可以给周围的环境拍照,而且这两台相机还可以形成立体视觉,获得三维影像。火星车的肚子里也有探地雷达,可以探测地下的反射信号。

乌托邦平原是个巨大的撞击坑。而且历史非常的古老,过去很可能是个海洋,会有沉积层覆盖,所以地面才会这么平整。祝融号可以通过激光来烧灼附近的岩石来分析岩石的成分。

这个功能美国的毅力号也是有的,算不上是独一无二。真正独一无二的是祝融号携带的磁强计。它是火星上第一个配备了磁场探测设备的漫游车。

其实就我个人来讲,最关注的就是这个能到处溜达的磁强计能带给我们多少新的知识,因为前人没做过。我们就是要做一些前人没做过的事儿,填补一下人类的空白嘛。

要知道,科学家们通过卫星观测火星已经很多年了。我们认为太阳系早期刚刚形成的时候,地球也好,火星也罢,都是炙热的熔融状态。然后在逐渐冷却下来的,变得比较宜居。

就拿我们的地球来讲,地下的情况非常复杂。高温会使得岩石融化变成液体,但是高压又会使得岩石变成固体,谁占上风随着深度而起变化。一般认为地核上层是液态的,液态地核的流动形成了一个发电机,给我们的这个星球带来了磁场,地球磁场还是比较强的。

但是火星就不一样了,火星已经凉了,再也产生不了磁场。现在能测量到的都是一些剩磁,也就是某些岩石当年被磁化了,现在还剩下一些微弱的磁性。没有磁场的保护,也就保不住大气层,会被高能的太阳风粒子逐渐吹散。所以现在火星大气才这么稀薄。大气层对生物的生存是非常重要的,更是直接影响到我们人类是不是要考虑未来移民火星的问题。

一个岩石星球不会一开始就有磁场,只有核心部分保持炽热,但是上边已经凉了,这时候才会产生热对流。这时候才会产生磁场。那么,火星到底是什么时候产生的磁场呢?又是什么时候消失的呢?这的确是个问题。

科学家们都是靠研究火星上的岩石来重构有关火星磁场的历史。火星上有过火山喷发。火星当年核心也是热的,大致上也可以分为火星外壳、火星地幔、火星核这么几层,岩浆是来自于火星幔的。岩浆的温度很高,超过了居里点,是无法被磁化的。只有喷出地面以后,逐渐冷却了。当温度低于居里点以后,会被当时的火星磁场给磁化。你只要判断出这块岩石的年龄,你就能反推出当时火星的磁场有多强,朝哪个方向。

图:火星的磁场比较乱,而且弱

火星的南半球到处都是火山,平地少,火星的北半球比较平坦,平原比较多。而且北半球明显皮薄,火星地壳只有30公里厚,南半球要达到100公里左右。感觉是好像北半球被剥掉了一层壳。据推测是39亿年前,一颗比较大的小行星砸在了北半球,造成了这种现象。

相比来讲,南半球的岩石更加古老。美国人的探测器在南半球发现了磁场比较强的岩石,年龄在40亿岁左右。这说明,当年火星的磁场也曾经强过。北半球的那些火山相对都比较年轻,比如太阳系里最高的一座山峰奥林匹斯山也是一座盾状火山。这个火山喷出来的岩浆岩就没有什么磁性。也就是说,在那个时候,火星的磁场就已经没有了。

但是,并不是所有古老的岩石都有磁场,也不是所有年轻的岩石都没有磁场,反例比比皆是,这下解释起来就很麻烦了。有人提出了这样一种说法,那就是一个像青海省那么大的小天体撞击火星,就像一颗炮弹,砸掉了火星的半个壳子,导致北半球的皮变薄了。而且巨大的能量转换成了热量,造成火星幔的温度变高。地幔和地核之间的温度差变小了,火星内部的对流也就停了,发电机不转了,磁场也就没了。

但是,这个破坏不是永久的,毕竟地幔是会慢慢冷下来的。过个2万年,对流就会重新开始,磁场又慢慢恢复了。不过据科学家调查,从42~39亿年之间,连续遭到20次大规模的撞击。有可能火星的磁场再也没恢复过来。

这一切都还是假说,因为数据太少。我相信祝融号会对搞清楚这些问题提供非常重要的帮助。卫星观测总不如在火星上溜达测量的精细,对吧。下一步就是等着它充足了电,熬过火星上的第一个夜晚,然后把拍摄的照片传回来,让我们这帮吃瓜群众好好饱饱眼福。慢慢等吧。

科学是无国界的,我们对宇宙一点一滴的了解都是全人类的进步。但是技术的有国界的,不仅有国界还有专利呢,科学家也有自己的祖国。如今美国国会正在讨论要立法禁止中美科技人员的兼职和交流,在这个大背景下,再看祝融号火星车,其意义就已经不仅仅限于航天技术的突破了,大家慢慢品味吧。

好,有关火星车,我们就说这么多吧。

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