火星“科考小記”

韓大洋 薛炳森

在世界航天史上，距離人類首個近距離探測火星的美國水手4號探測器飛掠火星已過去55年，距離首個成功登陸探測火星的海盜號探測器著陸也已過去近45年，而這一次，中國航天將帶來一場不同以往的“探險”，天問一號將攜帶它的軌道器和登陸器一舉完成“繞、著、巡”的探火壯舉。從發(fā)射升空起到2021年的2月份，天問一號將在浩瀚的宇宙中獨自前行，直到明年2月中旬（預(yù)計2021年2月11日至24日期間）抵達(dá)火星軌道并由環(huán)繞器開始火星空間環(huán)境的探測，最終，登陸器和巡視器將在2021年4月23日前后登陸火星。

報告，我已到達(dá)

作為中國首個登上火星的巡視器，請先允許我激動一下，還有，以往那些來自地球的“前輩”們，我也來報到啦！

剛才著陸器的那一套減速、懸停、避障、軟著陸的機動動作非常漂亮，現(xiàn)在他就停在我的身后，將繼續(xù)協(xié)助我一起完成接下來的火星巡視探測任務(wù)。

反沖發(fā)動機工作時激起了不少火星灰塵，現(xiàn)在的我被籠罩在一片紅紅的火星“沙塵暴”中，不過完全沒關(guān)系，我可是專門針對火星的環(huán)境而設(shè)計制造的，這點影響對我來說問題不大。

我隨身攜帶了6臺儀器設(shè)備。第一個是探地雷達(dá)，這是玉兔號大哥“借我”專門探測火星“路況”的，能夠直達(dá)土壤深處一探究竟;第二個是可以通過激光引導(dǎo)的光譜儀，他能夠?qū)鹦菐r土完成精細(xì)的測量;第三個是探測火星磁環(huán)境的磁場探測器;第四個儀器是測量大氣數(shù)據(jù)的氣象測量儀，除此之外，還有用來給火星拍照的多光譜相機以及幫助我巡視火星并防止迷路的導(dǎo)航儀。他們現(xiàn)在陸續(xù)開始工作了，一系列探測數(shù)據(jù)正源源不斷地傳輸回來。除了地面的探測，我們還有空中觀察。在我登陸火星之前的近兩個月時間里，環(huán)繞器就已經(jīng)沿著大橢圓軌道圍繞火星一圈圈地探測了，他攜帶了中、高分辨率相機、次表層探測雷達(dá)、火星礦物光譜探測器、火星磁強計、火星粒子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀共7臺設(shè)備，能夠?qū)鹦情_展全球性、普查性的探測，下一步就要看我巡視器的本領(lǐng)了。

火星的大氣環(huán)境和地球有很大不同。首先大氣層非常稀薄。值得注意的是火星大氣氣壓只有800帕，低到不足地球的8/1000。而濕度為零的大氣干燥無比，空氣成分也無法供人類呼吸，其中絕大部分是二氧化碳以及氬氣和氮氣。溫度雖然不太舒適，但相比其他行星還算得上“宜人”，這里夜晚溫度大約為零下120攝氏度，隨著太陽的照射氣溫升高，預(yù)計正午時分將上升到宜人的20攝氏度左右，曬暖和了，我也要繼續(xù)出發(fā)。咦？前面好像有些“異?！鼻闆r。

火星上沙塵暴頻現(xiàn)

巡視器隨身攜帶6 臺探測設(shè)備

一條條紅色的龍卷風(fēng)舞動著身體向我靠近，在遠(yuǎn)處還有一些“霧霾”樣的東西。這也難怪，因為火星的自轉(zhuǎn)軸傾角較大且軌道偏心率高，所以在火星到達(dá)近日點的這一段時間前后，受太陽輻射較平時更高的影響，火星上的大氣運動尤其是沙塵暴會頻繁出現(xiàn)，屆時將會是漫天紅沙遮天蔽日，這種“滾滾紅塵”會給我的能源供給以及行動造成很大的不便。我的任務(wù)周期大概是90個火星日，差不多要在火星上一直科考92天多一點，在這期間我和地球上的“師傅”們都會時刻提防這里的“滾滾紅塵”。

火星磁強計的數(shù)據(jù)也接收到了，這里的磁場非常弱，大概只有不到地球1/100的強度！火星內(nèi)部的構(gòu)造和巖漿活動已基本停息，不僅如此，整個火星并不像地球一樣具有一個完整的磁場，而是“一塊一塊”單獨分布的磁場區(qū)域。別看磁場不起眼，但卻是行星最最重要的“保護罩”，缺少了它的保護，火星大氣就直接暴露在太陽輻射的影響之下了，這也是為什么我們說火星的大氣層是被太陽“吹走”的。

到達(dá)預(yù)定位置，雷達(dá)和光譜儀也開始了探測，我這樣做可不是隨便拍拍照，而是在做科學(xué)探測！火星的礦物、液態(tài)水情況還有火星土壤的結(jié)構(gòu)與成分，經(jīng)我這么一番摸索就能快速準(zhǔn)確地獲得大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)，傳回給地球的“師傅”們好好分析研究。不過，從火星到地球的通信可真不容易！

信號傳輸不容易

在我執(zhí)行巡視火星任務(wù)期間，信號傳輸回地球需要跨越近4億千米的宇宙空間，愛科學(xué)的少年們都知道，信號的強度和傳輸距離的平方成反比，距離越遠(yuǎn)信號越弱，相比月球探測的月地38萬千米距離，地火通信的信號衰減可達(dá)60dB，信號傳輸?shù)难舆t時間以分鐘計，地球接收到的信號信噪比也要弱很多，直接導(dǎo)致測控數(shù)據(jù)傳輸鏈路緊張、有效數(shù)據(jù)傳輸困難、傳輸實時性差等問題。為此，地球上的“師傅們”專門選擇最適合地火通信的特殊頻段，采用高動態(tài)低碼速率的信號提高捕獲與跟蹤成功率。

“深空電話”線路暢通有保障

測控系統(tǒng)和地面應(yīng)用系統(tǒng)可謂是“豪華陣容”+“重裝上陣”。在飛向火星的過程中，測控系統(tǒng)的重要意義就如同連著風(fēng)箏的那一根細(xì)線，要保證對天問一號的上下行信號“傳得穩(wěn)”，飛行狀態(tài)“看得清”，軌道控制“抓得牢”。此次對測控系統(tǒng)的要求非常高，超過中國以往任何一次航天任務(wù)。

測控系統(tǒng)以現(xiàn)有的航天測控網(wǎng)和近十年才建立起來的深空探測網(wǎng)為基礎(chǔ)，這其中包括北京航天飛控中心、佳木斯66米口徑天線測控站、喀什35米口徑天線測控站、阿根廷35米口徑天線測控站等臺站，并在喀什深空站再建設(shè)3副35米口徑天線與原有35米口徑天線組成天線陣系統(tǒng)，從而等效達(dá)到66米口徑天線的能力。

為什么要在國內(nèi)外的不同地點設(shè)置如此多的測控站呢？原來這是要盡可能多的與測控目標(biāo)保持“聯(lián)系”。因為地球的自轉(zhuǎn)，一個地點的測控只能持續(xù)數(shù)小時甚至更短，測控站點越多、跨越的東西縱深越大，持續(xù)測控的時間就越長，測控的盲區(qū)就越少。

GRAS-4 天線與火星探測器數(shù)傳通信示意圖

而負(fù)責(zé)處理天問一號回傳數(shù)據(jù)的是地面應(yīng)用系統(tǒng)，為了保障對深空（最大距離超過4億千米）回傳數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且快速的接收，接收天線就要盡量大，背景信號干擾盡量低，信號的帶寬足夠大，為此，“師傅們”專門在天津武清新建了一副口徑達(dá)到70米，重量超2700噸，面積等同9個籃球場那么大，并且可以對著火星自動轉(zhuǎn)動跟蹤的“超級大鍋”天線，等著接收我回傳的火星“自拍照”！

太陽是個“搗亂鬼”

除了信號傳輸難，還有太陽來“搗亂”。前面我們說到了火星的磁場非常弱小，完全無法抵御來自太陽的輻射“進攻”，通過軌道器和巡視器的聯(lián)合探測，我們發(fā)現(xiàn)火星的高層大氣會在太陽的照射（光電離作用）下形成電離層。電離層是什么？這是在通信信號傳輸中起關(guān)鍵作用的一種空間環(huán)境，根據(jù)頻率的不同，無線電波遇到電離層時有的會穿過去繼續(xù)傳輸，而有的會被電離層反射回來，如同鏡子對光線的反射一樣。由于暴露在太陽風(fēng)下，火星大氣因為太陽粒子的碰撞電離和濺射作用，電離層不太穩(wěn)定，同時，地球上也有電離層，而它的穩(wěn)定性同樣受太陽活動的影響，這樣一來就對原本困難重重的地火通信再多增加了一層難度。

有時候，太陽這個“搗亂鬼”還會“偷吃”我們的信號，到底是怎么吃的呢？

其實也不能全怪太陽，太陽作為一顆恒星，其表面的活動區(qū)（太陽黑子）會通過耀斑和日冕物質(zhì)拋射等形式向外釋放巨大的能量，其本身會產(chǎn)生大量“噪聲信號”，與我們要傳輸?shù)男盘栂啾?，這就有點像是兩個聲音在打架，如果在太陽爆發(fā)活動的同時，我們從火星發(fā)回地球的信號也到達(dá)了，這時我們要傳回來的“話語”就可能被淹沒在太陽的巨大噪聲之下了。

磁場保護地球免受太陽高能粒子等的威脅

好在現(xiàn)階段是太陽第25活動周的開始階段，太陽近期一直平穩(wěn)且無大的爆發(fā)趨勢，可謂“表現(xiàn)很好”，要繼續(xù)保持呀！

太陽是把雙刃劍

巡視火星需要能量，能量充足我才能走得遠(yuǎn)、看的廣，才能保證設(shè)備的正常工作，沒錯！這些能量都來自太陽的光能，在我身上左右兩側(cè)張開的“小翅膀”就是太陽能帆板，用來將光能轉(zhuǎn)化為電能并儲備起來。

火星上太陽的輻射強度大約只有月球表面的20%，簡單來看就是在火星曬1個小時太陽所獲取的電能只相當(dāng)于在月球上曬12分鐘的，雖然一個火星日比地球日長大約37分鐘，但增加的這點時間對能量的補給還是杯水車薪，不僅如此，由于火星上經(jīng)常沙塵暴肆虐，太陽能電池的發(fā)電量還會衰減，根據(jù)“老前輩”美國勇氣號火星車的實測數(shù)據(jù)，太陽能電池發(fā)電能效的日衰減率為0.1%～0.3%，可別小看每天這一點的衰減，別忘了我可是要在火星上度過至少90個火星日夜呢！積少成多的道理朋友們都懂得?；鹦巧系钠骄鶞囟群艿停阆?0攝氏度左右），電池的一個弱點恰恰就是“怕冷”。為此，我的“師傅”們可是想了很多高科技的辦法幫我保持溫度，比如通過火星的太陽光譜來匹配太陽能電池，太陽能帆板防塵功能，火星大氣環(huán)境隔熱等技術(shù)手段，所以我現(xiàn)在才能活動自如，運轉(zhuǎn)正常。

獲取能源的問題解決了，還要防范來自太陽的高能粒子破壞我的核心電路以及所攜帶的高精密儀器，這是因為火星沒有磁場、大氣極為稀薄導(dǎo)致的。在地球上，因為磁場所形成的天然防護網(wǎng)，將來自太陽的高能粒子、電子等微粒導(dǎo)向了南北磁極，所以這些地方能夠在太陽風(fēng)暴活動之后看到絢爛無比的極光，大氣中的氣體分子和原子也會與這些高能太陽粒子發(fā)生碰撞，進一步降低輻射強度。但是火星完全不同，這些速度接近光速的1/10、如同一顆顆小子彈的高能粒子，會直接來到火星的向陽面，我的工作場景完全暴露在這些輻射之下。對于集成電路以及半導(dǎo)體器件來說，高能輻射會造成異常的電信號，產(chǎn)生錯誤指令，甚至是直接讓儀器的核心器件損壞。別擔(dān)心，“師傅”們對此早有周全的打算，他們對我的核心部位做了防輻射處理，這些粒子“叮叮當(dāng)當(dāng)”都打在我的“盔甲”上，里面的本尊可是毫發(fā)無損。