天问一号:连本带利奔火星

老在地球上打打杀杀,不如携手迈步宇宙星辰

本文来自微信公众号:老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),文章首发时间:2021年6月19日,作者:老和山下的小学僧,头图来自:视觉中国

一个老生常谈的问题:为什么要去火星?

因为火星是全宇宙人类最容易到达的行星,不去火星还能去哪?咱们不妨从这个角度重新认识一下太阳系八大行星。

好大的太阳系

第一颗,水星。

1973年发射的美国“水手10号”,飞掠水星(相当于路过)拍下了人类第一张近距离的水星照片。2004年发射的美国“信使号”,是唯一绕着水星转圈的环绕探测器。2018年发射的欧洲和日本合作的贝皮科伦布号探测器,预计2025年到达水星,目前还不算数。

这仨就是目前为止人类探测水星的全部,一个早已远离,一个已经坠落,最后一个还在路上

第二颗,金星。

这是苏联表演的舞台,从60年代开始连续向金星发射了多个Venera系列探测器。

1966年的3号尝试登陆金星,最终坠毁,成为人类第一个落到另一个行星的航天器。

1967年的4号在金星大气层里工作了93分钟,还没落地就失联了,只传回部分数据。

1970年的7号降落金星表面,但受损严重,仅微弱工作了23分钟,传回了温度气压等数据,成为第一个传回金星内部数据的探测器。

1975年的9号登陆后工作了53分钟,是第一个从金星传回黑白照片和科学数据的探测器。

1982年的13号登陆后工作了127分钟,传回了第一张金星地表的彩色照片。

苏联一直干到了16号,就像自杀式冲锋似的,为人类获取了大量金星资料。

相比来说,美国要逊色的多,水手2号、5号、10号只是飞掠金星,在几千公里外一闪而过,只有1978年发射的两个先锋金星号才算得上正宗的金星探测器,其中一台还释放了着陆器在金星表面工作了68分钟。

进入80年代末期,美苏争霸结局已定,金星探测开始回归科研属性。

1989年美国发射的“麦哲伦号”探测器,对金星进行了详细探测,于1994年到期坠毁,成果丰硕,被誉为最成功的金星探测器。

2005年欧洲发射了首个金星探测器“金星快车”,于2015年1月寿终正寝,同样收获满满。

2010年日本发射了首个金星探测器“拂晓号”,也是亚洲首个金星探测器,虽然一路故障,几经折腾,延迟五年后终于还是进入了金星轨道,成为目前唯一在轨的金星探测器。

不算美苏争霸的面子工程,金星探测器主要就这仨。

不过有好消息,2021年6月美国宣布在2028年~2030年发射两颗金星探测器,欧洲不甘人后,没隔几天也宣布2030年后发射金星探测器。此外,人类就没有更多的金星探测计划了。

最后说个小知识,金星是天空中最亮的星星(最亮的恒星是天狼星),经常出现在月亮旁边,肉眼就能找到。

第五颗,木星。

可能因为对金星用力过猛,导致冷落了木星。不算70年代飞掠木星的几颗美国深空探测器,人类第一个真正的木星探测器是1989年美国的“伽利略号”。

2003年伽利略号到期坠毁,然后直到2016年,美国朱诺号探测器进入木星轨道开始接班,成为人类第二个木星探测器,目前计划延期服役至2025年9月,是当前唯一的木星探测器。

不过未来木星会比金星热闹。先是欧洲的木星冰月探测器,计划2022年6月发射,接着是美国欧罗巴快帆号木卫二探测器,计划2025年前发射,再后面是中国2030年木星探测计划,都是十年内的事。

朱诺号拍摄了大量壮观的木星照片,有兴趣的同学可以上网找找。

第六颗,土星。

土星比木星还要冷清,不算一掠而过的探测器,真正的土星轨道探测器只有1997年美欧17国合作的卡西尼号,堪称人类最豪华的地外行星探测项目。卡西尼号前后二十年提供了详尽的土星资料,最终于2017年耗尽燃料,坠入土星,结束了辉煌的一生。

另外,木星土星是气态行星,登陆就别想了,不如欣赏一下本僧用手机加镜头改装的土装备拍摄的土星照片吧。

第七、八颗,天王星、海王星。

大名鼎鼎的旅行者2号,1977年发射后就一路往太阳系外面跑,沿途经过了木星、土星、天王星、海王星,随后奔向太阳系边缘。

非常惭愧,旅行者2号是人类唯一到访过天王星和海王星的探测器,这匆匆一瞥还是三十年多前的事情。

第九颗,不是冥王星。

冥王星虽然已经不是行星了,但旅行者2号还是去看了一眼。此外,2006年美国发射的“新地平线号”探测器,以人类有史以来创造的最快速度冲向太阳系边缘,2015年飞掠冥王星,首次捕捉到了大量冥王星的细节,拍下了迄今为止最为清晰的冥王星照片。

以前认为过了冥王星就算出太阳系了,但现在的太阳系和曾经小学课本上的太阳系大不一样。

冥王星待的地界叫“柯伊伯带”,那地方发现了大量的小行星,居然还找到一颗质量比冥王星多27%的小行星,于是冥王星就被九大行星开除了,成了一颗矮行星。

人类对这里的世界所知甚少,柯伊伯带到底有多少小行星还是个未知数。有意思的是,2016年科学家发现那里有6颗天体运行轨道异常,它们拥有相同的倾角,且朝向太阳的角度相近,这种情况自然形成的几率只有0.007%,99.993%的可能是受到附近一颗大质量行星的影响。

经过计算,这颗未知行星有地球质量的10倍,公转周期1~2万年,极有可能是太阳系的第九大行星。

但因为离太阳太远,几乎没有反光,在一片漆黑而宽广的柯伊伯带,找到这颗10倍地球质量的行星,比大海捞针还难,就目前的技术水平看,是没啥指望的。

虽然太阳光照不到这里,但太阳引力仍能支配这里,所以柯伊伯带依然属于太阳系,因此太阳系应该长这样才对。

这还没完,你可能还听说过柯伊伯带外面还有一个“奥尔特云”,面积大的吓人,得用光年做单位,居然也归太阳系管!

扯远了。总之,太阳系大的离谱,疑似有九大行星,但去老九那串门,想都不敢想。老八、老七的地盘,也只有中美敢吹个牛,说二十年内去看看。老六、老五热闹些,至少排上时间表了。老二、老大脾气太倔,如今门前冷落,偶有访客。只有老四,集万千宠爱于一身。

顺道嘲讽一下那些吊打外星人的电影:就这情况,外星人若有能力来到地球,人类还打啥打?另外,既然人家都跨越星系了,还占领地球图啥?地球上这点石油够他们飞一趟的油费吗?

独得恩宠的火星

我们把前面提到的探测器分三类:

第一类是在太阳系里乱跑乱窜的,居无定所,比如小行星探测器。这哥们儿顺路也能探测行星,但毕竟是兼职,停留时间短,干活少,不在讨论范围之列。

第二类是围绕行星转圈的,相对固定,一般叫环绕探测器、轨道探测器等等。想深入研究行星,就得靠这个,天天干活。

第三类是直接把家伙式儿送到行星表面,贴身干活。为了方便称呼(但不严谨),咱们把不能移动的叫着陆器,比如在火星打洞的美国“洞察号”,把能移动的叫巡视器或火星车,比如好奇号、毅力号、祝融号。

从实施难度来讲,巡视器>着陆器>环绕探测器。

水、金、木、土、天、海六大行星,再加冥王星,仍在运行的只有2个环绕探测器。而火星呢?不好意思,仍在运行的有8个环绕探测器、3辆火星车、1台着陆器。你说,地球人是不是太偏心了?

从六十年代至今,人类一共发射了49次火星探测器(包括失败的),其中41次是美苏的杰作,虽然苏联的18个全部失败了。

美苏之外的8次发射分别是:

俄罗斯:1996年发了一个,掉回地球,没成。2011年又发了一个,顺带捎上了中国首个火星探测器“萤火一号”,掉回地球,没成。

日本:1998年发了一个,直接打飞,没了。

欧洲:2003年用俄罗斯火箭发了一个,成一半,丢一半,成的那半运行至今。2016年再用俄罗斯火箭发了一个,再成一半,再丢一半,成的那半运行至今。

印度:这位哥可得好好说道说道。

2013年印度成为亚洲第一个成功发射火星探测器的国家,对印度而言确实是很大的突破,至少超过了外界预期,西方媒体纷纷捧场,甚至被《时代周刊》评为年度最佳发明。一时间,印度航天事业大有吊打中国的势头。

实际上,印度火星探测器的科学载荷只有15公斤,就这点设备,你就不能指望干出什么大事,属于典型的网红景点打卡,抢个头彩。对比中国天问一号,光是一台高分辨率相机就有43公斤。

可即便火星打卡,美国人也是出了大力气帮忙的,印度探测器的深空测控全是NASA做的,相当于印度造了车,美国帮忙开到了火星,而后者才是火星探测的主要门槛。

航天虽然是高科技,但在美欧玩熟的领域,只要你舍得出钱,沾点光还是没问题的,印度就是凭这个屡次抢在中国前头,不亦乐乎。

印度不但摘下了亚洲第一个探测火星的帽子,探月也撵着中国脚步追,为了拿下一箭多星世界记录,向太空撒了一筐土豆(一箭104星),还打算赶在中国前头于2020年发射太阳探测器,后来据说是因为疫情导致外国专家进不来,黄了。

这么说印度实在太过分了,得反驳几句:“承认印度领先有这么难吗,如果自身没有实力,你以为有钱就可以为所欲为吗!”

阿联酋:2020年也成功发了一个火星探测器,大小和印度差不多,探测器从设计到制造均在美国且由美国人包办,发射在日本,用的日本火箭,阿联酋参与了研制过程以及后期的形象大使工作。可见,有钱真的可以为所欲为。

中国:2020年“天问一号”绕火星成功,携带的“祝融号”火星车登陆火星成功。

看得出来,在“绕火星”这事儿上,中美欧是靠谱的。不过在“登火星”这事儿上,欧洲人就只有一半靠谱了。

2003年丢的那一半就是一台着陆器,猎兔犬二号,降落时砸懵了,四个太阳能电池板没有完全打开,导致天线无法展开,失联。2016年丢的那一半也是一台着陆器,下降速度过快,直接坠毁,炸了。

欧洲人民不信邪,决定2018年再发一个,后来推迟到2020年,再后来推迟到2022年……原因是降落伞不给力,担心又把着陆器砸坏了。没办法,最后还是求助美国老大哥吧,美国Airborne Systems公司接下了这个活,终于,2022登火星可以妥了。

目前为止,人类成功把10个探测器送到火星地表,其中9个是美国的,包含4台着陆器(不会移动)和5台火星车(可移动),还有1个是中国的。

新人报道

七大行星罗列得差不多了,最后按国别重新捋一捋,感受一下中国在行星探测领域的地位。

美国:咱就不比了。

欧洲:2个火星环绕探测器,仍在轨,2台火星着陆器,均失败;1个欧日合作水星探测器,在路上;1个金星快车,已退役;1个美欧合作土星探测器,已退役。

日本:1个欧日合作水星探测器,在路上;1个金星探测器,仍在轨。

中国:1个火星环绕探测器,1辆火星车。

印度、阿联酋:到此一游。

俄罗斯:计划中。

这么按数量粗粗一算的话,美国第一梯队,欧洲第二梯队,中日第三梯队,其他人就不用排队了。注意,这说的是行星探测,不包括其他空间探测、月球探测和地球卫星。

听到还在“第三梯队”,都没能把欧洲摁下,很多人心里要犯嘀咕了。没事,咱有办法混到第一梯队:按体重算。

连本带利还历史债

体重对航天器而言,就像一个国家的GDP,体量在很大程度上决定了很多事情。在火星这事儿上,谁是胖子,谁是瘦子?

欧洲,两台。

2003年的“火星快车”,总重1120公斤,开荒之旅,功能比较齐全,带了7台设备,合计113公斤,外加一台失联的着陆器60公斤。

2016年的“微量气体轨道器”,总重4332公斤,着重分析火星大气的甲烷和微量气体,功能非常专一,设备合计113.8公斤,外加一台爆炸的着陆器577公斤。

美国,实在有点多。

先说在火星落地的:2011年发射的火星科学实验室飞船和2020年发射的毅力号飞船,总重都在4吨左右,这俩就是单纯送货的,分别把899公斤的好奇号和1025公斤的毅力号送到了火星地面,尤其是毅力号,降落姿态极为潇洒。

再就是绕火星转圈的:2014年的MAVEN,2.5吨;2005年的MRO,2180公斤;2001年的Odyssey,725公斤。这仨虽然不重,但目前都还在运行。

下面轮到中国新人登场了。

天问一号,总重5吨,其中着陆器1.3吨,包含火星车240公斤。这份量,算是连本带利把历史债一次性还清了。

同样是开荒之旅,天问一号任务比较全面,带了13台设备,天上7台,地上6台,研究火星的地形地貌、土壤特征、地质构造、磁场情况、大气环境等。

这13台设备的参数都是公开的,不满足于单纯比体重的同学,可以和欧美挨个比设备,不过这活有点累,本僧就不代劳了。

总的来说,个别技术世界领先是没问题的,但全面吊打美国是不现实的。

超欧赶美

很多人称赞天问一号首次实现了“绕-落-巡”三大目标,这个说法对外行来说实在不容易理解到底有多厉害。咱换个简单点的:天问一号是人类有史以来最大的火星探测器,这样听着是不是更威风?

欧洲原计划是“绕-落”,探测器飞到火星后,一部分继续留轨道上绕圈,一部分扔火星上,而扔下去的着陆器不能移动,所以没有“巡”。美国人是“落-巡”,飞船是专程送火星车的,到火星就一头扎下去了,所以没有“绕”。

从这个角度讲,天问一号怎么算都是“超欧”了,但“赶美”仍然不容易。

中国是把火星车和环绕器一块送,所以总体块头大。美国是把火星车和环绕器分开送,块头虽然小点,其实单论环绕器并没有比天问一号小,火星车更是中国的四倍,领先程度自是不用说。

美国之所以没“绕”就直接登陆,是因为已经有三台火星环绕探测器了。天问一号“绕”3个月才把着陆器放下去,就是因为第一次去火星,不熟,得先转几圈熟悉环境。

尽管天问一号体格最大,但在火星这场子里,美国仍然是老大哥。

总结一下去火星的难点吧:从欧洲依赖俄罗斯火箭可以看出,大推力火箭是个难点;从欧洲求助美国可以看出,降落伞是个难点;从美国协助印度可以看出,深空测控(远距离遥控)是个难点。好在,咱们都解决了。

除此之外,还有一个难点比较有意思。

相比其他星球的环境,火星算得上温柔乡了,和当年苏联向金星扔一次性照相机不同,扔火星上的探测器都工作了很长时间,可你知道火星车最后是怎么坏的吗?

勇气号,设计寿命90天,结果干了6年,最终因太阳能板被灰尘覆盖导致电力不足而失联。机遇号,设计寿命90天,结果干了14年,也是死在灰尘覆盖。

实际上,这90天的寿命就是根据灰尘覆盖速度算出来的,好在火星很给面子,风暴偶尔会把灰尘吹走,这才多用了好几年。后来NASA发狠了,索性直接装核电池。

好奇号,设计寿命一个火星年,大约687个地球日,不过核电池寿命为14年,所以好奇号在2012年8月登陆火星后,到现在还在干活。毅力号,用的也是核电池,相信情况差不多。

比较悲催的是在火星上打洞的“洞察号”

这太阳能板几乎和灰尘融为一体了,工作人员开动电机,希望通过振动清除灰尘,但毫无起色。

眼看着就要挂了,结果出了个极具戏剧性的事情。起初,洞察号按照计划刨了点土,要埋地震仪的数据线,没想到这个动作带走了外壳上的灰尘。

工作人员兴奋了,他们想了个办法,趁着火星起风时,把土倒在太阳能板上,希望能吹走一些灰尘。这一铲土下去,果然恢复了一些,每天的发电量还真就增加了0.03度电!

诸位,这可是少见的用小学常识解决的航天难题啊!

没想到吧,在火星干活,最大的困难竟然是灰尘!既然人家吃过这个亏,咱们当然会有所防备。

祝融号首次采用了电除尘技术,也就是在太阳能板背面加一层电路,这个电场可以极化灰尘,再通过电场的改变移走灰尘。不过这个技术难度不小,美国为了除尘早就绞尽脑汁了,试过毛刷,也试过电除尘,最后都没能成功应用。

祝融号的设计寿命同样是90天,电除尘技术能否带来惊喜,拭目以待吧!

中国的火星探测虽然迟了点,但这第一步踩得着实够劲道,几乎一下就紧挨着美国身后了。而且根据以往经验看,后面几步肯定早在蓄力了,第二步“火星取样”搞不好就要迈到前面去。

美国的火星取样计划比较细致,先是由毅力号收集有可能证明火星生命的样品,2026年再发一台着陆器去取,再由欧洲探测器帮忙回地球,这一圈折腾下来,到地球的时间已经是2031年了。

中国天问二号计划2028年发射,估计是下火星后,随便捞一把就回来,所以2030年就能回家,计划上比美国早一年到地球。

这要真比美国人早了,那可就有意思了,无论天问二号在火星薅到啥,只要能从别的行星带样品会地球,那绝对是人类航天事业的伟大突破!

变化赶不上计划

航天这事儿和打仗一样,是非常系统性的工作,所以计划显得尤为重要。拿神舟飞船举个例子。

神1、神2,起步;

神3、神4,搭载模拟人;

神5,载人;

神6,载双人;

神7,载三人;

天宫1号,发射;

神8,送模拟人到天宫1号;

神9、神10,送人到天宫1号;

天宫2号,发射神11,送人到天宫2号;

天舟1号,送货到天宫2号;

天和核心舱(空间站),发射;

天舟2号,送货到天和舱;

神12,送人到天和舱;

接下来:问天实验舱、梦天实验舱、天舟3号、天舟4号、神13、神14……都已经排上日程了。

从载人飞行到空间站,一步一个脚印,够清晰吧!

难道印度就没计划吗?是的,月球热了就探月,火星热了就奔火星,接下来一定会吹牛要搞空间站,反正中国有的,他都要。不是我看低印度,这哥们儿连步枪子弹都靠进口,一个连发射子弹都困难的国家,你觉得能独立发射火箭吗?

那美国呢?没钱了,争取预算越来越困难,要不是这几年被中国刺激到了,NASA都快成清水衙门了。这次NASA局长拿着祝融号照片在国会上笑得合不拢嘴,美国为了证明自己的优越性,大概率会增加NASA预算,提出很多雄心勃勃的太空计划。这也算天问一号为人类航天事业做出的另一份贡献。

欧洲日本虽然航天实力不俗,但也没法像中国这么有计划、有定力地推进航天事业。欧洲很少能按日程办事,拖拖拉拉是常态,日本单项技能出色,可是体量小,难以尽善尽美,探测器经常一路故障,磕磕绊绊。

以中国的航天水平,早就可以去地月系统外摘很多“亚洲第一”的帽子,但中国一直在默默耕耘更有科研价值的空间站,这份定力绝不是印度这类国家所具备的。

随着中国对基础科学投入的不断增加,各种航天计划纷纷出炉,有志于此的青年很快就会迎来一段幸福时光。

哗宠取宠的价值

1990年NASA干了一件“蠢事”。

一个叫卡尔萨根的人说服NASA让64亿公里外的旅行者1号,调转相机方向,给地球拍了一张照片,这张照片毫无科研价值,却浪费了极为宝贵的燃料,非常不理性。

照片中这个小小的亮点就是地球,卡尔萨根在《暗淡蓝点》中感慨道:“看看那个光点,是的,那就是我们的家园,我们的一切。你所爱的每一个人,你认识的每一个人,你听说过的每一个人,曾经有过的每一个人,都在它上面度过他们的一生。

这里聚集了一切的欢乐和痛苦,数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说,所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯,都住在这里:一粒悬浮在阳光中的微尘。”

这张照片后来广为传播,虽然没有科研意义,却让人类真切感受到了自身的渺小,成为一代经典。

这种“蠢”事,NASA干的可不少,比如这次毅力号就带了一块火星陨石。这块石头是60万年前火星被小行星撞击时,被炸飞到地球的,如今人类带它落叶归根,这简直就是言情小说的情节。

NASA其实是一个充满浪漫情怀的科研机构,这是探索宇宙必不可少的因素。

最近中国航天局发布了首批火星照片,其中一张也有异曲同工之妙。火星车跑到十米开外,放下一台分离相机,然后跑回来和着陆器合了个影。

这操作非常败家,首先要给相机装上无线电,用来遥控拍照以及回传照片,然后还得在火星车上设计一个分离结构,前前后后增加不少重量。花这么大功夫,就为了这张毫无科研价值的照片,这事儿完全不符合航天局一贯的理性作风。

但这照片确实很有水准,把一台冷冰冰的机器变成了一个可爱调皮的机灵鬼。这张合影,让我们看到了中国航天的人文变化,别的先不说,估计以后枯燥的工作会变得越来越有趣了。

其实吧,航天是人类共同的事业,本就应该在浪漫和谐的氛围中一起努力。可惜,美国是以法律形式限制了中美航天的合作,以前是限制中国,现在却有点讽刺意味了。

中国空间站马上要取代国际空间站,成为人类唯一的空间站。原先在国际空间站工作的国家几乎都加入了中国空间站,唯独美国不行,这不是我们小气,而是他们自己法律不允许。

这可不是什么喜剧,因为无法相互分享数据,人类已经在航天事业上做了大量重复工作,闹到现在连太阳系都还没走遍,这不得不说是人类的悲剧。

既然都是航天人,眼界就得开阔点,老在地球上打打杀杀,不如携手迈步宇宙星辰。

本文来自微信公众号:老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),作者:老和山下的小学僧

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