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《科学大家》专栏| 火星:人类未来的新家园

2017-09-28 21:00:34

  出品 | 新浪科技《科学大家》

  撰文 | 郑永春,博士,行星科学家、科普作家、中国科学院国家天文台研究员,香江学者联谊会理事长、中国科普作家协会副理事长、获2016年美国天文学会卡尔萨根奖

  科幻是基于科学现实的未来展望。随着科技的发展,科幻与现实科技的界线越来越模糊,昨天曾经畅想的太空科幻,已在今日成为航天科技的现实。火星是太阳系中自然环境与地球最相似的行星,也是太阳系中经改造后唯一有可能实现人类大规模移居的天体。自阿波罗17号航天员最后一次登月至今的43年里,载人航天长期被限制在地球附近的轨道,这种状态必须改变。如今的载人航天已经到了突破地球引力束缚,为实现载人登陆火星而努力的关键阶段。

  一、抵达火星

  由于地球和火星都是运动的天体,所以从地球出发的火星探测器并非任何时候都可以发射,而是每隔2年零2个月(780天)才有一次发射机会,这样的发射机会称为发射窗口。也就是说,火星探测器的发射窗口每隔26个月才会打开一次。这是因为每隔780天,太阳、地球、火星就会排列成一条直线,称为火星冲,此时是发射火星探测器的好机会。

  从地球发射的火星车或着陆器在抵达火星上空后,要穿过火星大气层才能“踏”上火星表面,这期间需要经历惊心动魄、生死攸关的一幕。探测器从131千米的高空进入火星大气,时速高达21000千米(每秒5.9千米),要在短短七分钟的时间内,让探测器的速度降至零,从而实现安全着陆。这也是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻。这一阶段被称为“进入、下降和着陆”(EDL)阶段,是名副其实的“黑色七分钟”。

  回顾世界各国的火星探测历史,我们发现,安全着陆在火星表面主要通过三种方式来实现:

  第一种方式是气囊缓冲。这种方式适用于轻质量着陆器的登陆,当着陆器在火星表面着陆前,包裹着陆器的气囊充气展开,通过气囊在火星上的弹跳逐步降低高度,实现成功着陆。1996年12月4日发射的探路者号火星车就是采用气囊缓冲方式,成功着陆至火星表面,初步验证了火星大气进入、减速和着陆缓冲全过程的可行性;2003年6月和7月分别发射的勇气号与机遇号这对“孪生”火星车,使气囊缓冲着陆的方式得到了充分验证,成功实现了对火星表面较大范围的巡视。

勇气号和机遇号火星车采用气囊缓冲方式,成功着陆在火星表面

  第二种方式是着陆支架缓冲。2007年8月4日发射的凤凰号着陆器比机遇号和勇气号火星车的质量更重,如果依靠降落伞和安全气囊着陆,则需使用更大面积的降落伞和体积更大的气囊,但这会挤占所搭载的科学仪器的重量。因此,凤凰号采用了火箭反推和着陆支架缓冲的方式,实现在火星北极地区的安全着陆。 

凤凰号着陆器利用反推火箭实现动力减速,这种方式适用于较重着陆器的着陆,同时可准确选择着陆点

  第三种方式是空中吊车着陆。这种方式适用于大质量着陆器的登陆,2011年美国发射的好奇号火星车首次采用这种技术并获得成功。好奇号以每小时20000千米高速进入火星大气层,火星车被装载在盾形的热保护罩中,热保护罩可以经受高温烧蚀,起到隔热防护作用,确保火星车不会被火星大气层烧毁。当探测器距离火星表面11千米高度时,先打开巨大的降落伞降低飞行速度,24秒之后,热保护罩脱离。当探测器下降到1.4千米高度时,背壳分离,探测器上的8台制动火箭点火,通过火箭反推将下降速度从每秒80米减速至每秒0.75米。当探测器距离火星表面20米高度时,着陆器在空中“悬停”,空中吊车释放出尼龙绳,将好奇号火星车从着陆器上吊运到火星表面,实现着陆。

  好奇号火星车是一个功能齐全的移动科学实验室,相当于地球上配备多种分析手段的岩矿分析实验室。好奇号重3.6吨,耗资26亿美元,全部采用核能发电,是世界首个没有太阳能电池板的深空探测器。

 

空中吊车释放出尼龙绳,将好奇号火星车吊运到火星表面

  对于20年后的载人登陆火星来说,需要运送到火星表面的登陆舱质量更重,不仅需要强大的热保护罩,还需要非常大面积的降落伞,并且把反推火箭动力减速和空中吊车等手段统统用上,实现多种着陆手段的“混搭”,才能确保航天员安全登陆火星表面。目前,作为星座计划核心的战神号货运火箭、载人火箭、猎户座载人飞船均已成功试飞,具备了载人登陆月球、小行星和火星的大部分功能。

  登陆火星需要热保护罩、大降落伞、反推火箭、空中吊车等多种技术手段混搭,才能确保航天员安全登陆火星表面

  为研究航天员在奔赴火星的旅途中,长期密闭环境对乘组健康状态及工作能力的影响,特别是超长时间飞行、完全自主控制、资源有限、无法实施身体及心理治疗、火星表面出舱活动等条件下的人体生理和心理状态。俄罗斯联合多国科学家于2010年6月3日展开为期520天的登陆火星模拟实验,在人类历史上首次模拟登陆火星航天飞行往返任务的全过程。封闭试验分为三个部分:前250天为飞船发射和试验飞往火星的旅途、中间30天试验登陆火星、最后240天试验从火星返回地球。包括中国航天员王跃在内的6名志愿者经历了从火箭发射、行星际旅行、火星登陆到返回地球的全程试验。在试验阶段,全部志愿者的生活和工作仅限于实体模型航天器,所需资源要求一次装备到位。志愿者不能和外部直接交流,若透过互联网交流会有20分钟延迟。飞船完全自主控制,医学救助通过遥控操作技术实现。

  载人登陆火星往返需要500天,如何克服旅途的寂寞、恐惧和疾病,需要在地面开展大量试验。图为俄罗斯开展的“火星-500”生存试验

  二、火星生存

  地球人如何在火星上生存?正如系列纪录片《荒野求生》被很多户外运动爱好者作为野外生存指南一样,2015年上映的太空大片《火星救援

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发布者:sophia

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