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萤火一号:中国深空探测第一步

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:13

    萤火一号:中国深空探测第一步

    2009年10月,我国第一个火星探测器——萤火一号,将“乘坐”俄罗斯“天顶”火箭发射升空,经过10~11个月的漫长飞行之后抵达火星,开始为期一年的火星探测任务。这将是我国首次真正意义上的深空探测,不仅让我国跻身“火星俱乐部”,还有望解开火星干涸之谜。

    2009年10月,由嫦娥一号在两年前创造的一项记录将被打破。2007年10月24日,随着长征三号甲运载火箭从西昌卫星发射中心顺利升空,嫦娥一号承载着中国人“奔月”的千年梦想开始了它为期一年半的月球之旅。这是中国第一次把自己的航天器送到了另一个自然天体的周围。现在,另一个航天器将接过嫦娥一号的“火炬”,为中国迈出深空探测的第一步(根据国际电信联盟《无线电规则》的定义,“深空”指的是距离地球大于、等于200万千米的宇宙空间)。

    这就是“萤火一号”。火星在我国古代被称为“荧惑”,有“荧萤火光,离离乱惑”的意思。作为中国第一个火星探测器,萤火一号正是取其谐音而得名。同时,萤火一号也是中、俄航天合作项目“中国与俄罗斯联合开展火星探测计划”的重要组成部分。根据两国协议,双方决定在2009年对火星及其卫星火卫一进行联合探测,任务执行者分别是中方的萤火一号和俄方的“火卫一•土壤”探测器。两个探测器由中、俄双方各自研发制造,计划于2009年10月使用俄罗斯的“天顶”火箭从拜科努尔航天发射场一同发射。

    萤火一号重110千克,长75厘米、宽75厘米、高60厘米。它此行的目的是探测火星的电离层、磁场以及周围的空间环境等。中俄联合火星探测副总设计师、上海卫星工程研究所研究员陈昌亚博士说,这将有助于“研究火星表面水的消失机制,揭示类地行星的空间环境演化特征”。从技术上讲,这无疑也是提升中国卫星有效载荷研制水平、增强行星际探测能力、演示未来深空探测关键技术的重要契机。

    “同途殊归”的火星之路

    在发射升空之后,萤火一号和“火卫一•土壤”探测器将被送入一条飞向火星的转移轨道。经过10~11个月的漫长飞行后,一起到达火星周围。接着,它们会一起围绕火星转动3圈,在这段“告别的舞蹈”之后,“火卫一•土壤”探测器就会和萤火一号分离。

    随后“火卫一•土壤”会改变轨道,飞向火星的卫星火卫一。在火卫一的表面着陆,采集0.1~0.2千克的土壤样本之后,“火卫一•土壤”的返回舱再次点火,把样本送回地球。

    萤火一号则将继续“留守”在自己的轨道上,对火星的空间环境进行为期1年的研究。萤火一号的工作轨道距离火星最近的地方只有800千米,最远则可以达到80,000千米,呈一个长椭圆形状。这条轨道与火星的赤道面几乎重合,两者夹角只有1°~5°。陈昌亚说,火星探测器一般不会选择赤道轨道,但由于跟俄罗斯的“火卫一•土壤”探测器捆绑在一起,而后者又必须要借助赤道轨道才能伺机着陆火卫一,因此萤火一号“别无选择”。

    如此特殊的轨道使得萤火一号在服役期间将经历7次“长火影”的生死考验。所谓的“长火影”,是指萤火一号进入火星的阴影、并在其中持续运行的一段漫长而难熬的时期。当萤火一号进入火星的影子之后,温度会下降到-200℃左右,而“长火影”最长可以持续8.8个小时。以太阳能为主要能源的萤火一号在此期间将无法接收阳光,为了保存能量,探测器上的部分设备不得不进入休眠状态,以保持最低功耗,等“长火影”结束后再加热、加电唤醒。

    2009年2月,萤火一号专门进行了模拟测试。在伸手不见五指、温度只有-260℃的实验环境中休眠8.8个小时之后,萤火一号上的16台单机均成功唤醒,且正常工作。“这证明我们的设计正确,实验进展很顺利,我的心情也轻松多了,” 陈昌亚回忆说。

    尽管萤火一号“被迫”选择了这样一条高“风险”轨道,但很可能正是这样的轨道,保证了萤火一号能带给我们高“回报”。

    从水到环境

    所有研究火星的行星科学家都必须面对两件事情:一是有越来越多的证据显示火星上曾经遍布着水,二是现在的火星表面已经彻底干涸。

    为了寻找火星上的水,美国国家航空航天局派出了大批火星远征军,从上个世纪60年代起,对火星进行了大规模的细致探测。现在仍然有两辆火星车和三个火星轨道飞行器正在对火星进行探测。这些协同作战的探测任务获得了出人意料的结果——火星的表面已经在水的作用下面目全非。虽然这一结论在科学上令人激动,但是它也使所有的探测计划都采取了跟着“水”走的策略,忽略了另一个、可能也是更重要的问题:为什么现在的火星是干燥的?

    一种观点认为,这可能是火星大气不断流失之后的必然结果。火星地处小行星带边缘,外来天体的频繁撞击很容易将大量的气体抛离火星。同时,火星自身的磁场很弱,也难以阻止太阳风对火星大气的“掠夺”。再加上火星的引力也不够强,在阳光的照射下上层大气中的氢原子也可以轻易逃逸(详见《环球科学》2009年第 6期《地球会成为第二颗金星吗》一文)。这一切都让火星上的液态水无法长时间地存在下去。

    但目前,这个问题更多地还是停留在理论阶段,其中尚有许多细节并不为人所知。为了更深入地探究这个问题,就必须对火星的电离层、磁场和空间环境进行全方位的研究。和在近圆轨道上只能对火星周围有限局部进行探测的探测器不同,萤火一号到火星距离的变化幅度可达100倍,能够对火星四周大范围内的空间环境状况进行探测。探测器上搭载的磁强计、电子分析仪、质子分析仪以及行星离子分析仪,能够重建出火星大气、磁场和太阳风的相互作用,为解答火星的干涸之谜提供有价值的线索。

    深空技术演示

    为了实现这些科学目标,就必须要对萤火一号进行严密监控,确定它的位置和速度。与“近在咫尺”的嫦娥一号不同,“远在天涯”的萤火一号不能再使用类似前者的测控方案。为此,萤火一号上携带了一个超稳定振荡器。

    超稳定振荡器会以极其精准的频率发射无线电信号。当萤火一号在火星的引力场中运动的时候,多普勒效应(反映了萤火一号的速度)和引力红移效应(反映了萤火一号在引力场中的位置)就会改变地球上的观测者接收到的这一无线电信号的频率。由此就可以反推出萤火一号的位置和速度。这一过程被称为“单程开环多普勒测量”。

    除了在测控上的应用之外,单程开环多普勒测量还能用于探测行星重力场、行星自转和章动、大气状况,乃至检验广义相对论效应。它的优点是不需要增加额外的载荷,缺点则是对时频技术要求极高。

    另一个难点是,对于地面上的测控中心来说,由于火星距离地球太远,萤火一号的信号会变得十分微弱。为了在我国数量有限的射电望远镜基础上尽可能提高测控精度,位于上海、北京、昆明和乌鲁木齐的4台射电望远镜将联合组成中国甚长基线干涉仪网,接收萤火一号从火星发回的信号。

    目前我国在深空探测领域刚刚起步,正处于美国20世纪80年代中期的水平。这次实战对于日后的深空探测无疑是重要的演练,也将为中国建立自己的深空探测网积累宝贵的经验。

    真正的未来

    从2007年6月中、俄正式签署合作协议,到2009年6月出厂,萤火一号的研制只用了23个月的时间。“一般卫星的设计至少要三年,火星探测器少说也得五年,我们加班加点工作,完全是把两年当作四五年来用,”陈昌亚自豪地说。

    在整个过程中,萤火一号的研制团队攻克了深冷环境适应技术、活动部件及电子器件休眠-唤醒技术、姿控自主控制、深空测控技术、整星磁清洁控制技术等五项技术难关。在不到两年的时间里解决了这些难题,也创造了国内航天研究史的多项第一。

    2009年10月,中国就将成为“火星俱乐部”的成员。但这次深空探测仍须依靠俄罗斯火箭技术的支持。对于中国何时能自主探测火星,北京大学地球与空间科学学院的焦维新教授认为,恐怕还要20年,这“不仅需要研制自己的运载火箭、还要有自己的深空探测网,提高探测器的跟踪通讯能力,这里有很多技术问题,需要一步步探索”。

    萤火一号即将迈出中国深空探测的第一步,但也仅仅只是第一步而已。要想真正具备深空探测能力,中国航天人还有很长的路要走。

    本文来自《环球科学》(《科学美国人》中文版)2009年第8期,转载请注明详细出处

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