火星我們真的來了
作者： ${content.author} 時間：2021-09-13 瀏覽量：2,509相知無遠近，萬里尚為鄰。從屈原向天叩問宇宙的起源，到中國航天走進火星，縱使有5000萬公里之遙，火星依然是我們無可取代的“好鄰居”。中國渴望用自己的雙眼，領(lǐng)略這個紅色星球的獨特魅力。
100年前，著名的現(xiàn)代火箭之父齊奧爾科夫斯基曾說道：地球是所有人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃里。隨著科學(xué)的發(fā)展，這句話已然變成了現(xiàn)實。我們可觀測宇宙的直徑約為460多億光年，由于宇宙的膨脹，它依然在不停的長大，而我們地球不過茫茫宇宙中的一顆不起眼的暗藍色斑點。人類必須要邁出這個搖籃，邁向星辰大海。
在開啟征程之前，我們必須想要了解我們的所在的太陽系。我們先來看一下這個八大行星的展品。我們所說的八大行星特指太陽系的八個行星，按照離太陽的距離從近到遠，它們依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。八大行星自轉(zhuǎn)方向多數(shù)也和公轉(zhuǎn)方向一致。只有金星和天王星兩個例外。金星自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相反。而天王星是在軌道上橫滾的。而曾經(jīng)被認為是"九大行星"之一的冥王星于2006年8月24日被定義為"矮行星"。
我們可以看到地球有兩個鄰居，那就是金星和火星。我們已知金星是一個外表美麗，內(nèi)心狂熱的“維納斯女神”。它的地表溫度近500攝氏度，大氣壓高于地球的90倍，充滿了毒性硫化物，它儼然是一個十足的地獄！相較而言，火星則溫柔多了。火星與地球同為巖質(zhì)星球，演化歷史和發(fā)展規(guī)律類似?；鹦巧铣巳狈τ袡C物，其他元素和地球構(gòu)成類似，而且火星周圍的小行星帶擁有豐富的礦產(chǎn)資源，可供人類開發(fā)百萬年之久，綜合來看，火星對于人類是無比理想的鄰居。
火星帶給人類的期望高，但是探測它的難度遠遠超出想象?；鹦桥c地球處于太陽系內(nèi)側(cè)，地球與太陽距離為1.5億公里，火星為2.3億公里。地球的公轉(zhuǎn)周期為365天，火星則為687天?；鹦擒壍赖钠穆蕿?.09的橢圓，而地球軌道接近正圓。這意味著地球與火星的距離時刻存在復(fù)雜變化，最近時5500萬千米，最遠時為4億千米。所以為了節(jié)省燃料，火星探索存在窗口期，大約為780天。我們可以想象一下，把地球和火星比喻成兩位再跑道中跑步的選手，地球跑內(nèi)圈，速度快距離?。换鹦桥芡馊?，速度慢距離長，地球會不時的套火星一圈與它會合。
為了應(yīng)對高難度探索火星工程，我國特地研制了長征五號運載火箭，并2016年11月3日首次成功發(fā)射，2020年7月23日，將“天問一號”發(fā)射至地火運轉(zhuǎn)軌道。長征五號為大型低溫液體捆綁式運載火箭，擁有捆綁四個助推器的兩級半構(gòu)型火箭，采用無毒無污染推進劑，火箭全箭總長56.97米，起飛質(zhì)量約869噸，具備近地軌道25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸的運載能力，可以完成近地軌道衛(wèi)星、地球同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星、太陽同步軌道衛(wèi)星、空間站、月球探測器和火星探測器等各類航天器的發(fā)射任務(wù)。
那這么大的火箭用什么燃料呢？早在火箭發(fā)明之前，我們交通工具可以用汽油或柴油，也可以用電，飛機則使用航空煤油。后來，科學(xué)家發(fā)明了使用化學(xué)燃料推進的火箭發(fā)動機，火箭發(fā)動機以煤油、酒精、偏二甲肼、液態(tài)氫為主要燃料，同時需要攜帶液態(tài)氧等作為氧化劑助燃，液體燃料和氧化劑統(tǒng)稱為推進劑。從理論上看，液態(tài)氫最適合做推進劑，因為氫氣能量密度比較大。據(jù)統(tǒng)計，1克液氫充分燃燒可以產(chǎn)生145千焦的熱量，而1克煤油或汽油只能產(chǎn)生45千焦的熱量。同時，氫氣是最清潔的能源之一，燃燒只生成水，沒有任何其他廢物，而且無積碳、無污染，是多級火箭燃料的最佳首選。
想要了解更多關(guān)于氫能源的知識不妨看看這件展品——可再生能源-氫能。當(dāng)我們按下第一個按鈕時，光線照到前方的光伏板上發(fā)電，利用電能電解水，進而制取氫氣和氧氣；按動第二個按鈕時，氫氣和氧氣通過特定管道輸送，凈化后輸送至燃料電池；按動第三個按鈕時，燃料電池被啟動，通過氫與氧的反應(yīng)產(chǎn)生電能，最終驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)起。氫元素在地球上分布特別廣泛，主要是以水的化合物形態(tài)存在，只要我們有足夠的電源，通過電解海水可以得到充足的氫氣，這種能源將來可是大有可為。
燃料的問題解決了，但探索火星對人類來說依然是個巨大的挑戰(zhàn)。因為人類目前所掌握的以化學(xué)燃料為核心動力的火箭，不足以完成如此遙遠的距離，所以我們要充分利用780天的窗口期，極可能的縮短距離節(jié)約燃料。但在實際飛行中，探測器需要在太陽系中完成一系列的大橢圓軌道，又叫做霍曼轉(zhuǎn)移軌道。因為火星與地球軌道的形狀不同，所以二者會合時的幾何方位也不盡相同，每次窗口期的會因此發(fā)生不同變化，單次旅程長達4-7億千米，耗時6-11個月不等。同時，因為天氣和火箭總裝調(diào)試進程等不確定因素會造成發(fā)射推遲，火星探測的難度可想而知。看似近鄰，實則遠至天涯。
2020年7月23日，中國的“天問一號”搭乘長征五號運載發(fā)射升空，并于今年2月10日被火星引力捕獲，“天問一號”三個部分整體進入火星軌道。隨后將認真研究火星表面的情況，并反復(fù)確認著陸點和最優(yōu)著陸窗口。一旦確認，環(huán)繞器繼續(xù)在軌工作，著陸器攜帶巡視器開始最艱難的火星著陸之旅。
登陸火星最艱難的莫過于“恐怖七分鐘”。由于火星距離地球過于遙遠，無線電通信延遲長達幾十分鐘，而登錄火星需要在7-8分鐘內(nèi)完成，所以靠人工控制顯然是不可能的，這一切全要靠著陸器自己完成，這個過程及其困難。著陸器首先必須要找準(zhǔn)角度，先用隔熱大底急速氣動減速，再使用龐大的降落傘，再使用火箭點火反推，懸停避障，最后實現(xiàn)軟著陸。上千個復(fù)雜動作，稍有不慎便會任務(wù)失敗，用“刀尖上跳舞”來形容一點都不為過。據(jù)統(tǒng)計，人類目前完成的44次火星著陸任務(wù)，成功率不到50%，難度可想而知。著陸成功后，著陸器會與環(huán)繞器聯(lián)絡(luò)，把數(shù)據(jù)傳回地球。一旦確定著陸成功，著陸器會放出導(dǎo)軌，巡視器開機，開始巡視工作。
既然著陸成功，我們不妨借助火星探測器這個展項來體驗一下火星車。按下“開始”按鈕，操作搖桿控制火星車尋找火星石，找到火星石后，點擊屏幕“分析”按鈕，分析了解火星石是否含有水分?；鹦擒嚲褪茄惨暺鳎Q為火星漫游車，人類發(fā)射到火星表面行駛并進行考察的一種車輛，是一個自動化的移動裝置，能在著陸后在火星表面自己行走。成功發(fā)射的火星車有旅行者號、勇氣號、機遇號、好奇號。我國的火星車名為“祝融號”，以火神之名字命名主要是寓意我國的星際探索的火種，指引人類對浩瀚星空、宇宙未知的接續(xù)探索和自我超越。
火星車的操作不同于月球車，它不能靠人工操作，因為火星過于遙遠，信號傳輸需要20分鐘，來回一次就是40分鐘，所以它必須配備“超強大腦”來實現(xiàn)自動化?！白Ｈ谔枴被鹦擒嚳梢越柚背瑥姶竽X“來判斷前方是否有障礙，氣溫冷暖，甚至可以根據(jù)能源多少調(diào)節(jié)工作時長。當(dāng)然，并不是所有問題它都能解決，如果問題特別棘手，“祝融號”可以取消當(dāng)前任務(wù)，關(guān)閉部分設(shè)備節(jié)省能源，進入安全模式并等待地面處理。
既然擁有“超強大腦”，那電力資源必不可少。那火星車靠什么供電呢？目前來看，發(fā)電方案分為太陽能和放射性同位素?zé)犭姍C兩種，登上火星的美國“勇氣號”、“機遇號”、中國的“祝融號”都是用太陽能，而比較先進“好奇號”、“毅力號”則使用了后者。太陽能依然是太空探索的首選，包括人造衛(wèi)星、空間站等設(shè)備均使用這種發(fā)電方案。我們在光伏發(fā)電這個展項中可以看到，按動啟動按鈕，使照明燈發(fā)光，觀察電機是否轉(zhuǎn)動、LED燈是否發(fā)光。用遮光板遮住燈光，觀察電機的轉(zhuǎn)動以及LED燈的亮度是否會發(fā)生變化。我們會看到當(dāng)燈光照射到光伏板上時，電機旋轉(zhuǎn)，LED燈發(fā)光；當(dāng)改變燈光照射到光伏板上的強弱時，電機旋轉(zhuǎn)速度改變，LED燈亮度發(fā)生變化。光伏發(fā)電技術(shù)就是將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能存儲起來的技術(shù)。常用的太陽能電池使用的就是光伏發(fā)電技術(shù)。其中，遮光片代表太陽照射到地球需要經(jīng)過大氣層和云層的阻擋，我們可以直觀的看到太陽的強弱決定電力輸出的大小。在太空中不存在大氣層，火星上空氣稀薄，大氣壓只有地球的1%，但火星最大的敵人是沙塵暴！
由于火星表面大氣稀薄，對行星的保溫效應(yīng)非常微弱，導(dǎo)致火星不同地區(qū)溫差巨大，溫差會產(chǎn)生氣壓差，造成了全球性的空氣流動。而且火星表面干燥，土壤和沙塵細密，氣體裹挾著細沙，成為規(guī)模巨大沙塵暴，遮天蔽日，持續(xù)數(shù)月之久。沙塵暴會遮擋太陽能板，就好比展項中的遮光片，影響光照的強度無法發(fā)電，一旦電力耗盡，火星車將無法開機。所以，我們的科學(xué)家在“祝融號”的太陽能板上使用了一種表面工程技術(shù)，仿照夏天的荷葉，在上面加工出細小的針床，灰塵不易被吸附。即便落上灰塵，經(jīng)風(fēng)一吹或者太陽翼轉(zhuǎn)動，很容易脫落，保證了“祝融號”可以獲得足夠的能源。
探測火星不僅是中國航天工程任務(wù)難度的新突破，更是行星科學(xué)領(lǐng)域的史無前例的突破?！疤靻栆惶枴钡某晒Ρ貙⑼苿游覈暮教焓聵I(yè)再上新臺階，希望我國可以在火星探測的基礎(chǔ)上，不斷加快向更遠深空邁進的步伐，早日實現(xiàn)習(xí)近平總書記“一步一個腳印開啟星際探索新征程”的殷切期望。
