韓大洋 薛炳森

在世界航天史上，距離人類首個(gè)近距離探測(cè)火星的美國(guó)水手4號(hào)探測(cè)器飛掠火星已過(guò)去55年，距離首個(gè)成功登陸探測(cè)火星的海盜號(hào)探測(cè)器著陸也已過(guò)去近45年，而這一次，中國(guó)航天將帶來(lái)一場(chǎng)不同以往的“探險(xiǎn)”，天問(wèn)一號(hào)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(wèn)一號(hào)將在浩瀚的宇宙中獨(dú)自前行，直到明年2月中旬（預(yù)計(jì)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(cè)，最終，登陸器和巡視器將在2021年4月23日前后登陸火星。

報(bào)告，我已到達(dá)

作為中國(guó)首個(gè)登上火星的巡視器，請(qǐng)先允許我激動(dòng)一下，還有，以往那些來(lái)自地球的“前輩”們，我也來(lái)報(bào)到啦！

剛才著陸器的那一套減速、懸停、避障、軟著陸的機(jī)動(dòng)動(dòng)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(lái)的火星巡視探測(cè)任務(wù)。

反沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)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(guò)完全沒(méi)關(guān)系，我可是專門針對(duì)火星的環(huán)境而設(shè)計(jì)制造的，這點(diǎn)影響對(duì)我來(lái)說(shuō)問(wèn)題不大。

我隨身攜帶了6臺(tái)儀器設(shè)備。第一個(gè)是探地雷達(dá)，這是玉兔號(hào)大哥“借我”專門探測(cè)火星“路況”的，能夠直達(dá)土壤深處一探究竟;第二個(gè)是可以通過(guò)激光引導(dǎo)的光譜儀，他能夠?qū)鹦菐r土完成精細(xì)的測(cè)量;第三個(gè)是探測(cè)火星磁環(huán)境的磁場(chǎng)探測(cè)器;第四個(gè)儀器是測(cè)量大氣數(shù)據(jù)的氣象測(cè)量?jī)x，除此之外，還有用來(lái)給火星拍照的多光譜相機(jī)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(cè)數(shù)據(jù)正源源不斷地傳輸回來(lái)。除了地面的探測(cè)，我們還有空中觀察。在我登陸火星之前的近兩個(gè)月時(shí)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(cè)了，他攜帶了中、高分辨率相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)、火星礦物光譜探測(cè)器、火星磁強(qiáng)計(jì)、火星粒子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀共7臺(tái)設(shè)備，能夠?qū)鹦情_展全球性、普查性的探測(cè)，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(wú)比，空氣成分也無(wú)法供人類呼吸，其中絕大部分是二氧化碳以及氬氣和氮?dú)狻囟入m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(yáng)的照射氣溫升高，預(yù)計(jì)正午時(shí)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(tái)探測(cè)設(shè)備

一條條紅色的龍卷風(fēng)舞動(dòng)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?yàn)榛鹦堑淖赞D(zhuǎn)軸傾角較大且軌道偏心率高，所以在火星到達(dá)近日點(diǎn)的這一段時(shí)間前后，受太陽(yáng)輻射較平時(shí)更高的影響，火星上的大氣運(yùn)動(dòng)尤其是沙塵暴會(huì)頻繁出現(xiàn)，屆時(shí)將會(huì)是漫天紅沙遮天蔽日，這種“滾滾紅塵”會(huì)給我的能源供給以及行動(dòng)造成很大的不便。我的任務(wù)周期大概是90個(gè)火星日，差不多要在火星上一直科考92天多一點(diǎn)，在這期間我和地球上的“師傅”們都會(huì)時(shí)刻提防這里的“滾滾紅塵”。

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

到達(dá)預(yù)定位置，雷達(dá)和光譜儀也開始了探測(cè)，我這樣做可不是隨便拍拍照，而是在做科學(xué)探測(cè)！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(guò)，從火星到地球的通信可真不容易！

信號(hào)傳輸不容易

在我執(zhí)行巡視火星任務(wù)期間，信號(hào)傳輸回地球需要跨越近4億千米的宇宙空間，愛(ài)科學(xué)的少年們都知道，信號(hào)的強(qiáng)度和傳輸距離的平方成反比，距離越遠(yuǎn)信號(hào)越弱，相比月球探測(cè)的月地38萬(wàn)千米距離，地火通信的信號(hào)衰減可達(dá)60dB，信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間以分鐘計(jì)，地球接收到的信號(hào)信噪比也要弱很多，直接導(dǎo)致測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路緊張、有效數(shù)據(jù)傳輸困難、傳輸實(shí)時(shí)性差等問(wèn)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(dòng)態(tài)低碼速率的信號(hào)提高捕獲與跟蹤成功率。

“深空電話”線路暢通有保障

測(cè)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(guò)程中，測(cè)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(duì)天問(wèn)一號(hào)的上下行信號(hào)“傳得穩(wěn)”，飛行狀態(tài)“看得清”，軌道控制“抓得牢”。此次對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的要求非常高，超過(guò)中國(guó)以往任何一次航天任務(wù)。

測(cè)控系統(tǒng)以現(xiàn)有的航天測(cè)控網(wǎng)和近十年才建立起來(lái)的深空探測(cè)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(cè)控站、喀什35米口徑天線測(cè)控站、阿根廷35米口徑天線測(cè)控站等臺(tái)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(guó)內(nèi)外的不同地點(diǎn)設(shè)置如此多的測(cè)控站呢？原來(lái)這是要盡可能多的與測(cè)控目標(biāo)保持“聯(lián)系”。因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)，一個(gè)地點(diǎn)的測(cè)控只能持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至更短，測(cè)控站點(diǎn)越多、跨越的東西縱深越大，持續(xù)測(cè)控的時(shí)間就越長(zhǎng)，測(cè)控的盲區(qū)就越少。

GRAS-4 天線與火星探測(cè)器數(shù)傳通信示意圖

而負(fù)責(zé)處理天問(wèn)一號(hào)回傳數(shù)據(jù)的是地面應(yīng)用系統(tǒng)，為了保障對(duì)深空（最大距離超過(guò)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(hào)干擾盡量低，信號(hào)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(gè)籃球場(chǎng)那么大，并且可以對(duì)著火星自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤的“超級(jí)大鍋”天線，等著接收我回傳的火星“自拍照”！

太陽(yáng)是個(gè)“搗亂鬼”

除了信號(hào)傳輸難，還有太陽(yáng)來(lái)“搗亂”。前面我們說(shuō)到了火星的磁場(chǎng)非常弱小，完全無(wú)法抵御來(lái)自太陽(yáng)的輻射“進(jìn)攻”，通過(guò)軌道器和巡視器的聯(lián)合探測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)火星的高層大氣會(huì)在太陽(yáng)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(hào)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(wú)線電波遇到電離層時(shí)有的會(huì)穿過(guò)去繼續(xù)傳輸，而有的會(huì)被電離層反射回來(lái)，如同鏡子對(duì)光線的反射一樣。由于暴露在太陽(yáng)風(fēng)下，火星大氣因?yàn)樘?yáng)粒子的碰撞電離和濺射作用，電離層不太穩(wěn)定，同時(shí)，地球上也有電離層，而它的穩(wěn)定性同樣受太陽(yáng)活動(dòng)的影響，這樣一來(lái)就對(duì)原本困難重重的地火通信再多增加了一層難度。

有時(shí)候，太陽(yáng)這個(gè)“搗亂鬼”還會(huì)“偷吃”我們的信號(hào)，到底是怎么吃的呢？

其實(shí)也不能全怪太陽(yáng)，太陽(yáng)作為一顆恒星，其表面的活動(dòng)區(qū)（太陽(yáng)黑子）會(huì)通過(guò)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(huì)產(chǎn)生大量“噪聲信號(hào)”，與我們要傳輸?shù)男盘?hào)相比，這就有點(diǎn)像是兩個(gè)聲音在打架，如果在太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的同時(shí)，我們從火星發(fā)回地球的信號(hào)也到達(dá)了，這時(shí)我們要傳回來(lái)的“話語(yǔ)”就可能被淹沒(méi)在太陽(yáng)的巨大噪聲之下了。

磁場(chǎng)保護(hù)地球免受太陽(yáng)高能粒子等的威脅

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

太陽(yáng)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(méi)錯(cuò)！這些能量都來(lái)自太陽(yáng)的光能，在我身上左右兩側(cè)張開的“小翅膀”就是太陽(yáng)能帆板，用來(lái)將光能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)備起來(lái)。

火星上太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度大約只有月球表面的20%，簡(jiǎn)單來(lái)看就是在火星曬1個(gè)小時(shí)太陽(yáng)所獲取的電能只相當(dāng)于在月球上曬12分鐘的，雖然一個(gè)火星日比地球日長(zhǎng)大約37分鐘，但增加的這點(diǎn)時(shí)間對(duì)能量的補(bǔ)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(yáng)能電池的發(fā)電量還會(huì)衰減，根據(jù)“老前輩”美國(guó)勇氣號(hào)火星車的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，太陽(yáng)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(diǎn)的衰減，別忘了我可是要在火星上度過(guò)至少90個(gè)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(gè)弱點(diǎn)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(guò)火星的太陽(yáng)光譜來(lái)匹配太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)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(dòng)自如，運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

獲取能源的問(wèn)題解決了，還要防范來(lái)自太陽(yáng)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?yàn)榛鹦菦](méi)有磁場(chǎng)、大氣極為稀薄導(dǎo)致的。在地球上，因?yàn)榇艌?chǎng)所形成的天然防護(hù)網(wǎng)，將來(lái)自太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)暴活動(dòng)之后看到絢爛無(wú)比的極光，大氣中的氣體分子和原子也會(huì)與這些高能太陽(yáng)粒子發(fā)生碰撞，進(jìn)一步降低輻射強(qiáng)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(huì)直接來(lái)到火星的向陽(yáng)面，我的工作場(chǎng)景完全暴露在這些輻射之下。對(duì)于集成電路以及半導(dǎo)體器件來(lái)說(shuō)，高能輻射會(huì)造成異常的電信號(hào)，產(chǎn)生錯(cuò)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(duì)此早有周全的打算，他們對(duì)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(wú)損。