不要別的,只要科學

「祝融」「冬眠」,期待下一個春暖花開


2022年06月02日

2021年5月15日,我國首次火星探測任務天問一號探測器成功著陸於火星烏托邦平原;5月22日,其搭載的祝融號火星車開始探索火星。300多個日夜,基於天問一號和祝融號取得的科研數據,科學家們正在產出一系列原創性科研成果。現在,火星的冬天到了,祝融號開始「冬眠」了。

探索火星的中國印跡

人類對宇宙的探索永無止境,強烈的求知欲和好奇心是推動人類進步的強大動力,其中太空探索更是對研究太陽系起源及演化、生命起源及演化等重大科學問題具有重要意義。正是在這種強大動力的驅動下,人類開啟了對火星的探索。火星是離太陽第四近的行星,為太陽系四顆類地行星之一,由於它熒熒如火,位置與亮度時常變動,讓人無法捉摸,中國古代也稱之為「熒惑」。

隨著航天技術的發展和探測手段的多樣化、探測精度的不斷提高,以及人類對火星認識程度的逐步加深,各航天大國開展火星探測的熱情和頻率也逐步提升。探測火星、探尋火星的水和生命信息、探索火星宜居性已逐漸成為國際深空探測的主流。

但奔「火」之路步步驚心——截至目前,各國實施火星探測40餘次,成功率約為50%,火星因此也被稱為「航天器墳場」。

我國首次火星探測任務天問一號探測器首戰告捷,它通過一次任務實現火星環繞、著陸和巡視。天問一號探測器於2020年7月23日發射,2021年5月15日著陸巡視器成功著陸於火星烏托邦平原(

天問一號探測器由環繞器和著陸巡視器組成。環繞器配置中分辨率相機、高分辨率相機、次表層探測雷達、火星礦物光譜探測儀、火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀共7台載荷。通過環繞探測,開展火星全球性和綜合性遙感探測。著陸巡視器由進入艙和火星車組成,進入艙完成火星進入、下降、著陸(EDL)任務,祝融號火星車配置多光譜相機、次表層探測雷達、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀、地形相機共6台科學載荷,通過巡視探測,開展火星表面重點地區高精度、高分辨的精細巡視探測。

截至2022年5月15日,天問一號著陸巡視器成功著陸火星滿一年,環繞器在軌運行651天,距離地球2.4億千米;祝融號火星車在火星表面工作347個火星日,累計行駛1921米,完成了既定的90個火星日的巡視探測任務,持續對火星表面形貌、構造、物質組分、磁場等開展科學探測,累計獲取原始科學數據940GB。

「祝融」為何要「冬眠」

冬去春回,寒來暑往。和地球一樣,火星也有公轉和自轉,存在黃赤交角。火星的一天是24小時37分,與地球有著幾乎相同的晝夜輪替時間,在火星上看到的太陽也是東升西落。火星公轉的軌道面與火星的赤道面傾斜角度(自轉軸傾角)為25.19°,與地球的傾斜角度23.5°非常接近,這使得它們同樣擁有晝夜交替和春夏秋冬四季輪換。

火星與太陽的平均距離大約是1.5個天文單位,大約是2.3億公裏,繞太陽公轉的橢圓軌道比地球的偏心率更大,為0.093(地球只有0.017),這導致火星各季節長度頗不一致。火星的一年相當於687個地球日,其季節長度約為地球的兩倍;又因為其遠日點接近北半球夏至,因此火星北半球的春夏比秋冬各長約40天。同樣,由於火星偏心率更大,所以在近日點和遠日點處火星表面的溫差可達近160℃,這對火星的氣候產生了巨大影響,火星南北半球的四季差異更加顯著。火星的四季基本上都是寒冷幹燥的,火星表面的平均溫度大約為-55℃左右,溫度跨度大,夏季白天平均溫度約+27℃,冬季白天平均溫度低至約-133℃。

天問一號探測器的著陸點位於烏托邦平原南部,緯度25.1°,大致相當於我國貴陽市、福州市在地球的緯度範圍。當前,我國祝融號火星車所在區域已進入冬季。與地球相似,火星北半球進入冬季後,光照高度角下降,太陽光照傾斜熱量較少、光照時長也縮短。同時,火星存在沙塵暴天氣,冬季會更為頻繁,致使光照強度進一步減弱。相對於真空環境、火星表面的大氣環境也將增加對火星車電能的消耗,由於火星表面存在不可預知的塵暴,會阻擋太陽輻射,同樣也影響著火星的大氣溫度、表面溫度,使得火星的平均氣溫降低。工程師們還給祝融號穿了一件用氣凝膠作的特殊「棉服」,當火星冬季到來時,這件「棉服」會起到給祝融號保溫的作用。

那麼,其他國家的火星車也需要「冬眠」嗎?截至目前,成功落火並開展巡視探測的火星車共6輛,分別是美國索傑納號(Sojourner)、機遇號(Spirit)、勇氣號(Opportunity)、好奇號(Curiosity)、毅力號(Perseverance)和我國的祝融號。除好奇號和毅力號采用放射性同位素熱源(RHU)發電外,其餘四台火星車都是通過太陽翼發電提供能源供應,能源受太陽光照強度影響,需要在火星冬季到來時進行「冬眠」。

根據第一代火星車——索傑納號火星車實測數據顯示,其太陽翼由於被火星塵覆蓋導致太陽電池每天損失0.3%的效率。而勇氣號火星車就曾因火星寒冷的冬季存在的塵暴和不理想的光照強度,導致能源不足而永久失聯——2011年5月24日,美國國家航空航天局(NASA)正式宣布勇氣號火星車任務結束。勇氣號和它的姊妹火星車機遇號於2004年先後抵達火星表面,在之後的數年時間中,采集了大量科學數據,發回無數精美壯觀的火星風景照。然而2010年3月,勇氣號發回最後一次信號後便再無音訊。美國國家航空航天局並沒有放棄,堅持每天都呼叫,但毫無結果,一年多後不得不宣布任務結束。

科學家們判斷,勇氣號的失聯,正是因為火星冬季的到來,導致表面缺少陽光,勇氣號的太陽能電池無法采集到足夠電力。在缺乏電力的情況下,勇氣號「體內」溫度迅速下降,電子設備極有可能被損壞而無法工作。即使到了第二年春天溫度回升,勇氣號也再也沒有「醒來」,自此永遠「安眠」在火星的漫天風沙之中。

「祝融」何時醒來

地球距太陽的平均距離約為1.5億公裏,平均太陽常數約1378W/m2,火星距太陽的平均距離約為2.3億公裏,平均輻照強度約為589W/m2,只有地球的43%,複雜、惡劣的環境條件對火星車的設計有重要影響。

火星車上的太陽翼將太陽光熱能轉化為電能是火星車唯一的能源來源,

依據火星表面低溫、低氣壓、弱光照及大風沙塵的環境特點,綜合考慮工程約束等條件,祝融號的設計師們以控制能量傳遞為目標,提出了「開源節流」的基本設計思路——他們在火星車頂部設計了兩個像望遠鏡一樣的窗口,窗口上綁著一層膜,在光照條件良好時陽光可以照進去。這層膜的原理類似於蔬菜大棚,能讓能量只進不出,即以太陽能原位收集、存儲與利用技術解決火星車艙內設備保溫的能源供給難題,實現能量「開源」。那怎麼「節流」呢?設計師們在這層膜下放了十個「酒瓶子」,裏面放上一種相變材料——光照條件好時,「酒瓶子」裏的相變材料由固態變成液態,到了晚上,相變材料又會由液態變為固態,在凝固的過程中放出熱量,以此來保證火星車內部在晚上時溫度不下降。

在祝融號火星車休眠後,車上的電子設備將關機。之前火晝時高效采集到的太陽能,將轉化為熱能並存儲下來,為艙內電子設備統一保溫,以此解決火星車遭遇惡劣天氣後的能源安全問題,保證祝融號火星車有足夠的能量完成自主喚醒。

那麼,火星的冬天有多長呢?祝融號火星車剛著陸時,火星運行至遠日點附近,太陽直射點在北半球,恰逢北半球進入夏季,南半球進入冬季,北半球火星表面溫度相對較高。如今祝融號已在火星上工作了一年的時間,火星當前運行在近日點附近,太陽直射點在南半球,火星北半球正在走向冬季。未來兩個月,太陽直射點還將繼續向火星南部移動,大約在7月中下旬到達火星南回歸線附近,屆時火星北半球將進入一年中最冷的時節,之後太陽直射點開始向北移動,大約再曆經兩個多月才能回到目前的緯度上。所以,要經過4~5個月的時間,大約在地球10月左右的秋冬季節,火星的北半球將迎來春天。

目前,祝融號火星車已經在火星表面工作了347個火星日,遠遠超過了既定的90個火星日的壽命設計,目前正在「超期服役」。預計今年12月前後,祝融號巡視區將進入初春季節,環境條件好轉後,將恢複正常工作。祝融號火星車已經給我們帶來了無數驚喜,我們有理由期待著在火星春天到來的時候再次收到祝融號的消息。

在浩渺的異星大陸,孑然前行的祝融號作為先驅者已足夠偉大,從海南文昌起飛到著陸火星烏托邦平原,我國天問一號探測器已經越過太空中無數的艱難險阻。國內科學家正在利用它在巡視期間,在火星大陸和地球之間往複穿梭的電磁波,用一幅幅全新的圖片、用寶貴的科學探測數據開展相關研究,相信在不久的將來,一大批的重大科學成果也將給我們帶來新的認識。

星河長明。我們的征途是星塵大海,人類對太空的探索將永不停歇。我國首次火星探測任務開啟了我國月球以遠深空探測的步伐,起步雖晚,但起點較高——通過一次任務實現了火星環繞、著陸和巡視,實現我國航天事業自主創新、跨越發展的標志性成就。期待祝融號獲取更多的科學數據,為我們帶來新認識、新認知!

(作者:呂博瀚,系中科院月球與深空探測總體部項目主管;

者:呂博瀚


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