着陸火星——當年一起吹過的牛,只有中國實現了_風聞
超级学爸-超级学爸官方账号-一个位卑未敢忘忧国的吃瓜群众,毕业于中科大。2021-05-17 10:33
全文共5800字,共分五大部分。謹以此文,向中國航天人致敬!向偉大的中國人民致敬!
(一)天問一號,火星探測史前所未有
(二)深空通信,保障探測器的生命線
(三)火星着陸,祝融號的恐怖九分鐘
(四)航天探索,為後代開闢自古以來
(五)終極浪漫,把一起吹過的牛實現
(一)天問一號,火星探測史前所未有
提心吊膽好幾天,終於可以高興啦——負責執行中國第一次自主火星探測的天問一號,攜帶着祝融號火星車,成功在火星着陸。

為啥説提心吊膽,因為航天工程本身就是一項高風險的活動,而火星探測更是難上加難,到目前的成功率只有50%。

火星探測難度大,原因之一就是路程遠。跟探月相比,月球距離地球只有一光秒多的距離(38萬公里),而且火星最近的時候,也有5500萬公里(最遠4億公里)。
火星這麼遠,去一趟不容易。就好比打車,肯定是湊四個人最划算。天問一號也是如此,能多帶點儀器就多帶點兒,性價比最高。
為了節省燃料,火星探測要選擇窗口期發射。由於地球和火星的公轉週期不同,兩個行星每26個月“相遇”一次。
當地球跟火星“相遇”的時候,太陽、地球、火星基本三點一線,這時地火距離最近,火星亮度達到最大,成為夜空最亮的仔,比織女星還亮十幾倍,這種天文現象叫火星衝日。

2020年10月14日就有一次火星衝日,下一次要等到2022年12月 8日。而在火星衝日前兩三個月,是發射火星探測器的窗口期(7月15~8月13日),最節省燃料。
也正因為如此,這一次窗口期的站台上,有四位客人準備上車(四項火星發射任務),分別是中國、美國、歐盟和阿聯酋的探測器。
去一趟火星不容易,所以要在運力允許的情況下,天問一號要儘量多帶一些行李。最後總算把行李箱塞滿了,一清點實驗儀器多達13項。
天問一號總重高達5噸,是人類歷史上朝外太空(地球軌道以外)發射的最大載荷,而不久前抵達火星的美國毅力號探測器,總重是3.53噸。
天問一號,一次性要完成繞火星飛行、火星着陸、火星車巡視三項探測任務,這是在人類火星探測史上前所未有的。

哪怕是隻實現了第一項,也就是實現繞火星飛行,已經算是中國航天的歷史性突破,就值得開一瓶82年的牛欄山慶祝了。
然而天問一號不辱使命,今天成功着陸火星,成為繼美國之後第二個成功着陸火星的國家,也很快就會成為第二個在火星巡視的國家。
(二)深空通信,保障探測器的生命線
也有説第三個着陸火星的,1971年蘇聯的火星3號探測器也着落成功了,然而只工作了22秒便失去了聯繫。這就凸顯了深空通信的極端重要性。
一旦斷了,天問一號失去了與地球的聯繫且無法恢復,那麼它就變成了太空垃圾。在茫茫宇宙,想保持時刻的聯繫,難度可想而知。
打個比方,天問一號就是中國人向火星放出去的風箏,風箏往哪兒飛、飛多高、怎麼飛,都需要一個測控系統來控制,這個測控系統,就好比風箏的線,一刻也不能斷。
為了時刻測控天問一號,我國建立了一套深空通信系統,來掌握天問一號的行蹤,瞭解它的狀態,並時刻準備給它下操作指令。
由於地球在不停地自傳和公轉,為了24小時不間斷,因此至少需要在全球建立3個深空測控站,既要考慮自轉,又要考慮南北半球,才能實現對全天域無死角覆蓋。
我國建立了三大深空測控站,其中有兩座在自己國土上。這兩座深空站一個儘量靠西,一座儘量靠東。靠西的建在了喀什,靠東的建在了佳木斯樺南縣孟家崗鎮。

為了接受來自數億公里以外微弱的信號,天線的口徑按説是越大越好,但機械結構的壓力也越來越大,口徑極限就是100米。
佳木斯深空測控站的口徑是66米,而喀什深空測控站天線由4個35米口徑的天線組成,等效於66米口徑的天線接受能力。

喀什和佳木斯的深空站,雖然相距五千多公里,但畢竟都在東半球和北半球,無法做到全天域測控,因此我國科學家最終在南半球和西半球的阿根廷,建了一座深空站。

這三座深空站,由西安衞星測控中心管理,同時也接入了北京航天飛行控制中心,基本上實現了對太空無死角的覆蓋。

縱觀全球,目前只有中美歐三家組建了完整的深空網,蘇聯曾經也有,然而1991年底它罵罵咧咧退出了羣聊。
測控系統,傳輸的是位置、狀態和指令,因此必須講究實時性和精準性。但天問一號過去,是帶着科研任務去的,還需要傳輸大量的科學數據。
這些數據雖然量大,但是對時效性要求不是那麼嚴格,電量不足的時候可以暫時不傳,傳錯了大不了重傳,於是有另外一套深空通信系統——地面應用系統。
由於傳輸的是科學數據,所以這個系統由中科院的國家天文台負責,他們有四台大口徑的射電望遠鏡(大口徑天線)。
這四台射電望遠鏡分別是位於天津武清的70米口徑天線,位於北京密雲的50米口徑天線和40米天線,位於昆明的40米天線。
其中位於天津武清的70米口徑天線,是亞洲最大的單口徑全可動天線,簡直是給天問一號量身定做的,今年初才建成,是接受天問一號科學載荷數據主力。


此外,還有上海65米口徑的天馬射電望遠鏡也作為備胎,作為地面數據接收站的補充。這是服務於天問一號火星探測的地面數據接收系統。

地面上還好些,大不了把接受口徑做大,但是天問一號上就難了,因為通信是雙向的。你這邊喊再大聲,那邊是個聾子也不成。你這邊耳朵再靈敏,那邊是個啞巴也不行。
天問一號,受制於火箭的運力,受制於火箭口徑,受制於電力供應,只能把天線口徑做到2.5米,發射功率也小的可憐。
那邊聽力(接收能力)有限,只能提高地面天線的嗓門,也就是發射功率;那邊嗓門不大,只能把這邊耳朵做大(口徑)。
路上還好,到了火星以後還有難題。由於火星也在自轉,每天總有一半的時間背對太陽,因此一天有一半的時間沒法用太陽能電池,只能靠儲電。
還有一半時間背對地球,沒法直接聯繫。還得考慮到火星上的沙塵對太陽能電池板發電效率的影響,這一切的一切,都制約着火星車的通信能力。
因此最終採用了中繼通信的方式,也就是讓天問一號的軌道艙當二傳手,既節約了火星車的電力,也可以保證隨時可能跟地球保持聯繫。
如果沒有通信能力,火星車上的儀器再先進,也會成為火星上的垃圾。而通信保障,只是眾多環節中的普通一環……
(三)火星着陸,祝融號的恐怖九分鐘
除了通信,火星降落(着陸)也是一大難關。降落大約需要9分鐘,這9分鐘之內,着陸艙的速度要從2萬公里每小時降到零,每一步都不容許有差錯。

要想進入火星的大氣層,角度太小則會發生打水漂而無法進入,角度太大則會温度過高而燒燬。
火星的空氣非常稀薄,地表的空氣也只是地球地表的1%。空氣稀薄則降落傘減速不夠,速度降到一定程度,還得甩掉防熱底,伸開緩衝腿,甩掉降落傘,用反推發動機減速。

反推發動機,在火星空氣中會產生不穩定的羽流,加上飛行速度快,很容易失控翻跟頭,所以火星着陸難度比月球高出幾個數量級。
在離地還有600~800米時,着陸器還得懸停,觀察一下地面情況,選擇一塊合適的區域準備着陸。在100米高度再次懸停,觀察地面情況。

不然一落下來,剛好掉坑、掉石頭縫就完蛋了,掉浮塵堆也不行,陷進去出不來了。懸停還不能太久,燃料有限。
最關鍵的,這些過程要它自己分析判斷,最終做出決斷。因為沒辦法跟地球人商量,電波一去一回得半個小時,人類根本無法遙控。
所以這個降落,被科學家稱之為恐怖9分鐘,失敗的概率相當大。所以天問一號着陸艙着陸,央視沒有直播,有擔心失敗的因素。
正是因為太難了,所以成功之後,祝融號火星車發回報捷信號,飛控中心一片歡騰,但是火星探測任務工程總設計師張榮橋卻哭了,他是喜極而泣。
張榮橋説:為了今天,10年前籌劃,千軍萬馬為之奮鬥了6年,我們在發射場堅守了110天,在北京航天飛行控制中心堅持了202天完成火星環繞,之後到今天又堅守了93天。
看着他花白的頭髮,我鼻子也酸溜溜的。真是太不容易了,國家真的應該設立一個基金,把明星偷税漏税的錢補到這個基金,用於提高廣大科技工作者的待遇。
着陸成功之後,祝融號火星車就該出場了。祝融號火星車身負重任,攜帶了六台科學儀器,要完成五大科學目標,分別是:

繪製火星形態和地質結構圖;調查火星表面的土壤特徵和水冰分佈;分析火星表面的物質組成;測量電離層和火星地表氣候及環境特徵;探索火星的電磁場、引力場和內部結構。
(四)航天探索,為後代開闢自古以來
為什麼要進行火星探測,這個意義跟月球探測一樣,因為我們的目標是星辰大海。我們錯過了大航海時代,不能再錯過星辰大海。

西方社會步入近代文明,就是從大航海時代開始的,他們靠全球的殖民掠奪,實現了資本的原始積累,開啓了西強東弱的世界格局。
領先了世界幾千年的中國,也正是因為盲目自大、閉關鎖國,錯過了大航海時代,錯過了科技革命,差點被西方列強豆剖瓜分。
中國繞月探測工程、嫦娥一號衞星系統總指揮兼總設計師葉培建,曾經這樣描述月球探測和火星探測的重要性,他説:
宇宙就是個海洋,月亮就是釣魚島,火星就是黃巖島,我們現在能去,我們不去,將來的後人要怪我們,別人去了,別人佔下來了,你再想去都去不了,我就想想這一條理由就夠了。

事實也是如此,中華民族歷來是勇於探索未知世界的。前人們不斷地開疆擴土,才有我們底氣十足的自古以來。
從歷次科技革命來看,也都跟人類對未知世界充滿好奇心有關,牛頓好奇蘋果為什麼從樹上掉下來,瓦特好奇蒸汽為什麼能掀起來壺蓋,奧斯特偶然發現了磁針的偏轉……
正如張榮橋所説:對一個國家來講,我們必須通過這些重大的、前瞻性的科學探索活動,來提升我們的技術,提升我們對未知世界的認知。從國家角度來講,就是要提升國家的能力。
美國科技的長盛不衰的原因,就是一直堅持很多重大的、前瞻性的科學探索活動,也為美國培養和聚集了一大批科技人才,讓美國牢牢佔據人類科技的至高點。
此外,航天事業本來就是人類歷史上最複雜的系統工程之一,它的發展取決於國家的綜合國力,反過來又推進國家的科技發展。
航天系統需要極高的精度和可靠性,苛刻的要求,迫使我們主動去尋找和發現新材料、去創新新工藝。
很多航天領域的發明,逐漸被用到了民用領域,探測月球地表特徵的圖像技術被用於醫院的CT,圓珠筆、太陽鏡、緩衝氣囊、陀螺儀、多種食品乾燥劑等都來自航天科技。
從人類長遠利益角度,探索宇宙也很有意義。無論是從尋找新資源的角度,還是給地球找備胎的角度,人類都得想辦法走出地球。當然,我們首先應該保護好地球,也得節約資源。
火星,畢竟是離地球最近的行星之一,探索火星是我們瞭解宇宙的又一個窗口,也將會是人類探索深空的一個高空跳板。
中國正在致力於中華民族的偉大復興,順道構建人類命運共同體。中國作為一個有夢想的大國,有責任引領人類探索未知世界,尋找球外資源和地球備胎。

但需要注意的是,宇宙探索要堅持進行,要擴大投入,但也要量力而行,因為這項活動太燒錢了,風險還很大,切不可像蘇聯那樣過把癮就死。
(五)終極浪漫,把一起吹過的牛實現
所以把握好自己的分寸、把握住自己的節奏很重要。在這一點上,我是特別佩服中國航天人的,可以説一步一個腳印,把三步走玩出了花。
比如載人航天工程,1992年立項,就分為了大三步:第一步發射載人飛船;第二步實現出艙行走,發射空間實驗室;第三步是建造空間站。
我國的嫦娥探月工程,2004年立項,也分為了三步走:第一步,無人月球探測;第二步,載人登月;第三步,建立月球基地。
其中第一步又可以分為三小步:第一小步,繞月飛行;第二小步,實現軟着陸;第三小步,實現採樣返回。
2005年,《科學發現報》上公佈了中國的探月三步走,其中還有嚴格的時間表,3年內實現第一步,6年內實現第二步,2020年實現第三步。

看到了中國立下了雄心壯志,其他國家也摩拳擦掌,制訂了各自的探月計劃。《科學發現報》的同一版面上,列着各國的月球探測計劃。

實際執行情況如下:三年內的2007年10月24日,嫦娥一號圓滿並超額完成第一步;又過了六年(2013年12月2日),嫦娥三號實現了軟着陸。
不過,第三步出現了偏差,因為長征五號火箭遇到了一點問題,耽誤了一點點進度,但是2020年12月17日,嫦娥五號還是如期帶着月球樣品,返回了地球。
那其他各國呢?先説日本,2007年日本搶在嫦娥一號之前,發射月亮女神一號探測器,然後就沒有然後了,據説是經費和技術方面的原因,發射無限期推遲。
再説印度,印度2008年也發射了首次月球探測器——月船1號,2009年月船1號出現故障,通信中斷,與地球失去聯繫,然後就沒有然後了。
美國原本計劃2015年重新登月,最遲不超過2020年。然而現在都2021年了,美國的登月計劃依然遙遙無期……
其實不只是探月計劃,載人航天也是如此。神舟一號發射後,日本、印度還有韓國等,都拿出了自己的PPT,然後就沒有然後了。
到了最後我們才發現,大家曾經一起吹過的牛,只有中國實現了。我認為,這就是中國人特有的浪漫。
為什麼只有中國人能實現?我認為歸根結底有三點原因,一是獨立自主,一個是民族精神動力,一個是社會主義制度保證(黨的領導,集中力量辦大事)。
這三項,讓中國人有了超強的目標規劃能力和戰略執行能力。任何困難,通過任務分解,就變成了小困難,然後一以貫之,逐步去攻克。
事實證明,沒有獨立自主,夢想很難實現。比如導航系統,我們曾想搭歐盟的便車,結果錢交了人被踢出來了;還有可控核聚變,歐洲也是豬隊友,中國後來受不了選擇了單幹;火星探測也不例外。
中國早就有火星探測的夢想,只可惜自家的火箭推力不夠,那咋辦?只能叫車,窮得叮噹響的俄羅斯搶到了單。
2007年6月正式跟俄羅斯簽署合作協議,用俄羅斯的大推力火箭,在2009年10月的窗口期發射中國的螢火一號火星探測器。
2009年初,中國如期完成了螢火一號的製造,然後在當年4月送往俄羅斯的指定地點等待上車,結果一去才發現,俄羅斯那邊掉鏈子了。
我們原以為叫的是專車,可實際上來的是拼車。這火箭上還有另一位乘客——俄羅斯的福布斯·土壤火星探測器。
這個乘客遲到了,也就是福布斯·土壤火星探測器沒造好,只能等啊,結果一等就26個月,也就是發射日期推遲到了2011年11月9日。
研發的高精尖探測器,那都是有壽命的,螢火一號設計壽命也就兩年,錯過這個窗口期,等於報廢了。但沒辦法,數億公里的路程,沒車怎麼走。所以螢火一號又被拉回來了。

2011年11月9日,中國的螢火一號跟俄羅斯福布斯·土壤探測器一起拼車,搭乘俄羅斯的火箭從哈薩克斯坦的拜科努爾航天中心升空。
結果更坑的是,發射升空之後,某個發動機啓動失敗,未能脱離近地軌道,2012年1月16日,螢火一號跟俄羅斯福布斯·土壤一起墜入了太平洋。都怪這火箭不好聽——叫天頂2SB。

有了獨立自主,有了民族精神,有了制度優勢,我相信各種卡脖子問題一定會被解決。正如主席所説的:中國人民有志氣有能力,一定能在不遠的將來趕上和超過世界先進水平。
最後用李德勝的話結尾:讓那些內外的反動派在我們面前發抖吧!讓他們去説我們這也不行那也不行吧!中國人民的不屈不撓的努力,必將穩步地達到自己的目的!