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火星探测|历史上成功率仅43% 人类“探火”为何步步惊心( 二 )


跟月球相比火星探测难在哪儿
在业界 ， 火星被称为“探测器坟场” ， 其探测难度可想而知 。
据庞之浩介绍 ， 火星距离地球最远约4亿公里 ， 最近也要约5600万公里 ， 探测器抵达火星需要飞行这么长的距离 ， 对发射、轨道、控制、通信、电源、入轨、着陆等技术都有很高要求 。
在发射方面 ， 火箭的运载能力、入轨精度和可靠性是实现火星探测的重要前提 。 月球探测器进入地月转移轨道的速度为10.9千米/秒 。 而火星探测器要进入地火转移轨道的速度必须达到至少第二宇宙速度(11.2千米/秒)才行 。 因此 ， 发射同等质量的月球探测器和火星探测器时 ， 后者必须用推力更大的火箭 ， 使探测器直接进入地火转移轨道 ， 否则就需要消耗探测器自身燃料和更长的飞行时间加速 ， 这会影响到探测器寿命 。
“火星探测最大的难点是在火星着陆 ， 探测器要经历入轨、下降与着陆过程 ， 这一过程通常被称为恐怖7分钟 。 ”庞之浩说 ， 在火星稀薄的大气环境下需要用7分钟将探测器速度从2万千米/小时降低到零 ， 这需要包括气动减速、降落伞减速和反推减速等多种减速手段融合实现 ， 每个环节都必须精准无误 ， 其难度不亚于“在巴黎打一个高尔夫球要落到东京的一个洞里” 。
庞之浩解释说 ， 虽然火星大气密度只有地球的1% ， 但相比月球着陆 ， 火星着陆时探测器多了一个进入大气层和打开降落伞的环节 。 由于火星大气层可以起到一定的减速作用 ， 所以着陆减速需要控制得特别精准 ， 何时进入 ， 进入的姿态、角度等都不能有丝毫误差 。 然而 ， 现在人类对火星大气层的了解还比较有限 ， 再加上测控信号延时很长 ， 进入火星大气层前调整姿态、角度和速度必须靠探测器自主执行 。 在探测器切入火星轨道过程中 ， 如果切入点离火星过远 ， 则不能被火星的引力捕获而掠过火星；如果切入点离火星太近 ， 则可能坠毁于火星大气层 。 此外 ， 进入火星大气层后 ， 探测器也要自主准时开伞减速、准时切伞、准时抛底、准时悬停避障、准时关机等 ， 稍有闪失就会导致失败 。
由于距离遥远 ， 火星探测器飞抵火星轨道需要260—320天 ， 通信也是个大问题 。 庞之浩说 ， 从地球发送到火星的无线电信号 ， 单程延时为20分钟左右 。 同时 ， 由于距离越远 ， 信号就会越弱 ， 再加上宇宙中的噪声干扰 ， 这对信号收发技术是一个非常大的挑战 。 为了应对信号衰减问题 ， 探测器需要装有高增益、高可靠通信设备 ， 地面也要有直径很大的深空测控天线 ， 以免探测器因通信故障而“迷失” 。
如果前面一切顺利 ， 探测器终于在火星上落了脚 ， 但想要顺利开展工作也并非易事 。 庞之浩表示 ， 在月球表面工作 ， 月球车需要度过一个长月夜 ， 一个长月夜相当于地球上的14天 ， 温度最低可达到零下180摄氏度 。 而火星上温差没那么大 ， 一天也是24小时 。 但火星上的沙尘暴很大 ， 是地球上12级台风造成影响的6倍 ， 这些飞沙会覆盖火星车的太阳能电池板 ， 致使其无法正常工作 。 历史上 ， 美国第一代和第二代火星车都是受沙尘暴影响而停止工作的 。 “这就需要充分提高能源的利用率 ， 包括高效太阳能电池技术及高效蓄电池技术 ， 提高能源系统功率质量比 ， 如太阳能电池板尽量要大一些 ， 光电转换效率要更高 。 ”庞之浩说 。
本报记者 付丽丽


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