人类探索火星为什么这么难?

(⊙_⊙) 


每天一篇全球人文与地理

微信公众号:地球知识局


NO.1466-探索火星的进程


作者:橘子亲王

 校稿:猫斯图 / 编辑:养乐多


4月24日是中国第五个航天日,一项不同寻常的计划也在这一天得到了公开:中国将会在今年举行自己的火星探测计划。项目定名“天问”,以纪念诗人屈原在数千年前的名作《天问》。


(图片来自微博@央视新闻)


千呼万唤始出来,自“萤火”计划以后,中国的火星工程终于迎来了下一步,使国人为之振奋,也让今年的航天日有了历史性的意义。


而唯有真正了解了火星探测的难处,才真正能理解为什么中国的“天问”计划如此令人期待。


 


银河系食尸鬼


对探索火星的尝试源自上世纪60年代进入高峰期的美苏太空争霸。


人类对火星产生兴趣似乎是顺理成章的:火星是太阳系行星中最靠近地球,物质组成也最接近的之一。如果人类未来有以临近行星为跳板探索宇宙的计划,那么火星一定会成为第一站。


太阳系有八颗行星,其中水星、金星、地球和火星都属于类地行星

(图片来自Wikipedia@Patricka)


但由于距离、观测设备等原因,那时候的人类对火星知之尚少,火星探索的成功率相当堪忧。


率先向火星发起挑战是苏联,这甚至比他们进行第一次载人航天更早。从1960年到1962年,苏联先后进行了5次火星计划,全都是相对来说最容易实现的外层探索项目,没想到全部失败。最接近成功的一次是火星1号,这本是一次飞掠火星的探测计划,可惜探测器在进入深空一年半后,由于导航设备故障失联了。


火星1号有两颗一模一样的探测器

也是火星计划最早发射的探测器

(图片来自Wikipedia@NASA)


苏联的连续失败对美国来说无疑是一个好消息,为他们争取了宝贵的开发时间。但美国的初次尝试也并不甜蜜,同为飞掠探测器的水手3号因为太阳能电池板无法展开而错过了宝贵的观测时机,变成了一块太空垃圾。


水手3号

(图片来自Wikipedia@NASA)


1970年之前,美苏两国一共尝试了12次火星计划,成功的只有3次,成功率仅为25%,创下了人类航天史的最低记录。此后情况也没有明显的好转,美苏的尝试都是有成有败,总成功率不到一半,仍然是航天界最尴尬的数字。


凄惨的现实让地面上的科学家们多少有些自尊心受挫。为了缓解尴尬,美国科学家给这种尴尬的局面起了一个“银河系食尸鬼”的昵称,意指地球和火星之间有一头不可见的“食尸鬼”,专以航天器为食,这才让人类对火星的探索往往劳而无功。


让人类感到压力的成功率……


昵称只是一种自嘲,他们不可能不反思火星探险总是失败的真正原因。即使对于那个时代最顶尖的航天国家来说,地火旅行中的以下几个难题依然是很难解决的:


首先是运载系统的推力。航天活动,最基本也是最重要的一项能力就是火箭的推力。能摆脱地球引力,把探测器发向月球的火箭已经是佼佼者,而发往火星的火箭要求只会更高,不仅要摆脱地球,甚至还要部分摆脱太阳的引力,才能把探测器推到火星附近。


1965年由水手4号所拍摄的火星

是历史上首张火星近距离照片

(图片来自Wikipedia@NASA )


其次是复杂的轨道转换。正是由于人类目前掌握的火箭推力还不够强,想把探测器一次性送上火星并不现实,运载系统还必须在深空中借助太阳和行星的引力变换轨道。这对时间点的把握要求极为严苛,而且基本经不起什么干扰,转换点附近几秒钟的差别,就会导致着陆点数百公里的误差。


需要对太阳、地球、火星三者的相对位置进行精密的计算

(蓝色为地球轨迹,红色为火星轨迹)

(图片来自Wikipedia@Todd K. Timberlake)


第三就是通信距离造成的难题了。火星计划需要妙到巅毫的指挥,但地火距离最远可达4亿公里,信号以光速传输一个来回,也要40多分钟,黄花菜都凉了。此时探测器自身有运算和调整模块就显得很重要了,可惜当时的人类计算机技术还完全不够发达。


以上种种难以用当时技术解决的现实困难,决定了早期的火星探险需要的不仅是最先进的技术,往往还需要一些运气。到了70年代后期,随着人类逐渐摸清楚了“银河系食尸鬼”这个不存在的怪兽的脾气,火星的外层探测计划才终于稳定了下来,甚至还有一些登陆器替人类率先见证火星本体了。


人类获得的第一张火星表面彩照

(美国维京一号探测器 1976-07-21)

(图片来自Wikipedia@NASA/JPL)

 


恐怖七分钟


人类从来不怕把梦做得更大。


在实现了火星的外层探测和卫星环绕之后,各国也开始不满足于仅仅只是对火星做轨道观测和撞击实验了。把真正的探测器送上火星,最好还能在火星上分析样本、传输照片,成了下一个火星观测时代的竞逐主旋律。


在火星上的勇气号(想象图)

勇气号的主要任务是探测火星上是否存在水和生命

并分析其物质成分

评估火星上的环境是否有益于生命

(图片来自Wikipedia@NASA)


看上去,这个梦想的本质只是从近行星轨道向下降落到地面上。但事实上,其难度却不亚于从地球出发把探测器送到火星轨道。


对于探测器来说,登陆行星的第一步是进入行星的引力范围,这样才能被星球捕获,逐渐靠近其地面。但火星的质量不大,只是地球的十分之一,能提供的引力影响范围很小,探测器必须精准地擦着这个引力范围的边以求被捕获,但又不至于直接撞到火星上。这就非常困难了。


火星奥德赛号 2001.10.24至2002.10.24日围绕火星的轨迹,过程中但凡出一点差错,就前功尽弃了

(图片来自Wikipedia@Phoenix7777)


早期的火星轨道探测器之失败,问题也有不少出在这一步。尤其是对于初试火星的国家而言,准确判断火星的引力范围,并把探测器送到相应的轨道上非常困难。比如日本在98年发射的希望号探测卫星,就在辛苦飞行了5年之后与火星轨道擦肩而过,经日本地面指挥中心多次调整也没抢救回来,最后惨遭放弃。


就算进入了大气层,事情也还没有完。火星的引力虽小,但也比人类最熟悉的地外星体月球大得多,探测器的下坠加速度也因此远快于在月球上。可火星的引力又没有大到能保留足够的大气,这让地球上屡试不爽的减速伞装置没有了用武之地。


火星气候探测者号,探测器在低于预期的高度接近火星,最终因为大气层的压力解体

(图片来自Wikipedia@NASA/JPL/Corby Waste)


比如欧俄最新联手的ExoMars2020项目,没能真的在2020年实行就是减速伞系统出了问题。为了应付火星上复杂的情况,他们设计了一套由4组减速伞构成的开伞装置,系统复杂度过高的代价就是泛用性不足。在两次测试中,4组减速伞里总有一组出错,也就让整个项目功亏一篑。


但事情到这里还没有完,一台探测器即使成功被火星引力捕获,并且顺利打开了减速伞,还有最后一步“动力减速”阶段。此时探测器要用逆向推进器给自己强力减速,避免最终坠毁在地面上。但启用动力减速时,探测器其实已经非常接近地面,推进器开关需要非常精确的时间点控制,这全都得靠探测器自己。


1999年美国发射的火星极地着陆者号就倒在了这最后一步。这台探测器完美地切入了火星的大气层,并启动了减速伞靠近了原定降落的火星南极高原。然而在最后的减速阶段,由于推进引擎提前关火,极地着陆者号从40米高处直接跌落地面,摔成了废铁。


火星极地着陆者号

(图片来自Wikipedia@NASA)


失败的历史太多,教训太惨痛,火星登陆计划的最后一步有了个不太好听的别称:“恐怖七分钟”。


目前来看,也只有美国的火星探测器和探测车能比较平稳地挺过这“恐怖七分钟”,成功在火星上进行探测。在著名的“勇气号”和“机遇号”之后,还有“凤凰号”、“好奇号”与前辈“会猎”火星。


好奇号在火星夏普山山脚下的自拍

(2015年-10月)

(图片来自Wikipedia@NASA)


但奔赴火星应该是全人类共同的梦想,火星上既然有美国的探测车,也迟早应该有其他国家的身影。随着“天问”计划的公布,继欧洲、俄罗斯、日本之后,中国将会成为火星计划中美国最强有力的竞争对手之一。


 


天问终于来了


2011年,中国其实就已经进行了第一次冲击火星的尝试,也就是“萤火计划”。但很可惜,因为俄罗斯方面的失误(火星似乎和这个国家不合,从苏联到俄罗斯时代对火星的冲击几乎没有成功过),萤火计划甚至没有离开地球轨道就宣告失败了。


萤火一号和福布斯-土壤轨道示意图

其中红、橙、黄色为萤火一号转移轨道

绿色为萤火一号工作轨道

(图片来自Wikipedia@Hat600)


这让最新问世的“天问”计划承担起了更具象征意义的责任。


近十年的漫长等待并非没有意义。由于地火之间的距离太远,登陆火星需要等待“火星冲日”——也就是日、地、火几乎连成一线——的短暂时间窗口。这个天文现象大约26个月出现一次,因此遍览人类火星探险史,基本上也是以两年为一个周期出现发射井喷潮。今年10月的“火星冲日”便是中国航天人相中的机遇。


而在这次零的突破中,中国也希望能一次性挑战更多。


在目前公布的“天问一号”行程计划中,中国专家们提出了要实现“绕”、“落”、“巡”的三合一任务。拆解开来说,也就是要让“天问一号”完成火星轨道环绕探测(绕)、在火星表面实现软着陆(落)、并派出火星车巡视探索(巡)。实现一次发射,多种收获,争取一次追平美国的先进水平。


而负责把“天问一号”送上天的,也将会是我们自行研制的长征5号火箭,不再假他人之手。长征五号世界领先的运载能力,将能支持“天问一号”5吨的重量,这又创造了一个世界火星探索之最。

种种世界领先和世界第一,让“天问”计划备受关注,值得所有国人期待。


文昌发射基地-长征五号遥三火箭

(图片来自@图虫创意 / IWANTU-518)


而在国家航天局官宣“天问”计划的当天,百度也表态将“以特殊身份”加入相关项目。



一家民营互联网巨头,和航天事业能够如何挂钩呢?这不由得引发了人们的猜想。鉴于百度近期发力直播功能,不仅直播了解封后武汉城的樱花潮,还去杭州千岛湖底追踪水下秘境,做了不少科普直播,说不定百度会成为“天问一号”在地面上向公众直播火星画面的使者。



但仅仅是这样猜,似乎小看了百度的能力。事实上,百度近些年发力toB业务、人工智能和智能硬件,已经积累了不少有价值的成果,其中有些能力与航天技术所需还很有契合度。


比如百度从2013年就开始了无人车技术(百度Apollo计划)的探索,积累了不少人工智能特异性工作的经验。现在Apollo的代码已经开源,针对它的分析也不少。可以从中发现的是,百度Apollo已经通过高精定位模块、激光雷达、摄像机校准的组合,达到了L4级的无人驾驶,也就是在特定道路和天气下实现无人驾驶。



如果将Apollo计划在火星车上付诸实践,或许不仅能帮火星车成功探路,还能为国产开源无人驾驶技术的进步提供测试数据,一举两得。


另外,以搜索起家的百度,近年来还有一个技术上的发力点是图像识别。从商用领域看,百度图片以图搜图的功能已经比较好用,能识别超过10万种物体和场景,还能清晰定义出图片中的主体部分。目前百度还能向客户提供定制化的图片识别服务,应用于旅游、家装、餐饮等等门类中,智能度相当不错。



此类技术如果被应用于火星环境中物体的识别,也并非不可想象。如果我们能在火星表面发现有用的矿物、水等可以通过图像识别的资源,下一步可能真就该考虑人类移民了。


百度智能云近年来的发展速度也很快。一套好的云服务系统,不仅能在民用领域把商业数据、开发工作流等重要的环节在整个组织内打通,其实也可以为科研单位服务。如果火星探测任务中在云上协同工作,那么航天设计和行动的效率也会得到明显的提升。


当然啦,百度自有的一系列文化科普类产品,在整个“天问”计划的后期也可以起到很好的教育宣传功能。我们可以期待一下百度百科、百家号、百度知道等产品在“天问”上天那几天集中推广介绍中国航天科普知识,甚至延请航天人做客与网友互动,这都将提高航天事业在全民心目中的声量,为中国走向星辰大海打下更好的基础。


火星追踪计划,正如火星自己一样,充满了神秘的魅力,还有待我们做更多的畅想与探索。


– 广告 –


*本内容为作者提供,不代表地球知识局立场 

封面图片来自deposit / 图虫创意



END



文章转载自微信公众号:地球知识局

类似文章