着陆火星——当年一起吹过的牛,只有中国实现了

作者:学爸蛋总

本文转载自:超级学爸(ID:chinasuperdad)

全文共5800字,共分五大部分。谨以此文,向中国航天人致敬!向伟大的中国人民致敬!

(一)天问一号,火星探测史前所未有

(二)深空通信,保障探测器的生命线

(三)火星着陆,祝融号的恐怖九分钟

(四)航天探索,为后代开辟自古以来

(五)终极浪漫,把一起吹过的牛实现

(一)天问一号,火星探测史前所未有

提心吊胆好几天,终于可以高兴啦——负责执行中国第一次自主火星探测的天问一号,携带着祝融号火星车,成功在火星着陆。

着陆火星——当年一起吹过的牛,只有中国实现了

为啥说提心吊胆,因为航天工程本身就是一项高风险的活动,而火星探测更是难上加难,到目前的成功率只有50%

着陆火星——当年一起吹过的牛,只有中国实现了

火星探测难度大,原因之一就是路程远。跟探月相比,月球距离地球只有一光秒多的距离(38万公里),而且火星最近的时候,也有5500万公里(最远4亿公里)。

火星这么远,去一趟不容易。就好比打车,肯定是凑四个人最划算。天问一号也是如此,能多带点仪器就多带点儿,性价比最高。

为了节省燃料,火星探测要选择窗口期发射。由于地球和火星的公转周期不同,两个行星每26个月“相遇”一次。

当地球跟火星“相遇”的时候,太阳、地球、火星基本三点一线,这时地火距离最近,火星亮度达到最大,成为夜空最亮的仔,比织女星还亮十几倍,这种天文现象叫火星冲日。

着陆火星——当年一起吹过的牛,只有中国实现了

20201014日就有一次火星冲日,下一次要等到202212 8日。而在火星冲日前两三个月,是发射火星探测器的窗口期(715~813日),最节省燃料。

也正因为如此,这一次窗口期的站台上,有四位客人准备上车(四项火星发射任务),分别是中国、美国、欧盟和阿联酋的探测器。

去一趟火星不容易,所以要在运力允许的情况下,天问一号要尽量多带一些行李。最后总算把行李箱塞满了,一清点实验仪器多达13项。

天问一号总重高达5吨,是人类历史上朝外太空(地球轨道以外)发射的最大载荷,而不久前抵达火星的美国毅力号探测器,总重是3.53吨。

天问一号,一次性要完成绕火星飞行、火星着陆、火星车巡视三项探测任务,这是在人类火星探测史上前所未有的。

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哪怕是只实现了第一项,也就是实现绕火星飞行,已经算是中国航天的历史性突破,就值得开一瓶82年的牛栏山庆祝了。

然而天问一号不辱使命,今天成功着陆火星,成为继美国之后第二个成功着陆火星的国家,也很快就会成为第二个在火星巡视的国家。

(二)深空通信,保障探测器的生命线

也有说第三个着陆火星的,1971年苏联的火星3号探测器也着落成功了,然而只工作了22秒便失去了联系。这就凸显了深空通信的极端重要性。

一旦断了,天问一号失去了与地球的联系且无法恢复,那么它就变成了太空垃圾。在茫茫宇宙,想保持时刻的联系,难度可想而知。

打个比方,天问一号就是中国人向火星放出去的风筝,风筝往哪儿飞、飞多高、怎么飞,都需要一个测控系统来控制,这个测控系统,就好比风筝的线,一刻也不能断。

为了时刻测控天问一号,我国建立了一套深空通信系统,来掌握天问一号的行踪,了解它的状态,并时刻准备给它下操作指令。

由于地球在不停地自传和公转,为了24小时不间断,因此至少需要在全球建立3个深空测控站,既要考虑自转,又要考虑南北半球,才能实现对全天域无死角覆盖。

我国建立了三大深空测控站,其中有两座在自己国土上。这两座深空站一个尽量靠西,一座尽量靠东。靠西的建在了喀什,靠东的建在了佳木斯桦南县孟家岗镇。

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为了接受来自数亿公里以外微弱的信号,天线的口径按说是越大越好,但机械结构的压力也越来越大,口径极限就是100米。

佳木斯深空测控站的口径是66米,而喀什深空测控站天线由435米口径的天线组成,等效于66米口径的天线接受能力。

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喀什和佳木斯的深空站,虽然相距五千多公里,但毕竟都在东半球和北半球,无法做到全天域测控,因此我国科学家最终在南半球和西半球的阿根廷,建了一座深空站。

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这三座深空站,由西安卫星测控中心管理,同时也接入了北京航天飞行控制中心,基本上实现了对太空无死角的覆盖。

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纵观全球,目前只有中美欧三家组建了完整的深空网,苏联曾经也有,然而1991年底它骂骂咧咧退出了群聊。

测控系统,传输的是位置、状态和指令,因此必须讲究实时性和精准性。但天问一号过去,是带着科研任务去的,还需要传输大量的科学数据。

这些数据虽然量大,但是对时效性要求不是那么严格,电量不足的时候可以暂时不传,传错了大不了重传,于是有另外一套深空通信系统——地面应用系统。

由于传输的是科学数据,所以这个系统由中科院的国家天文台负责,他们有四台大口径的射电望远镜(大口径天线)。

这四台射电望远镜分别是位于天津武清的70米口径天线,位于北京密云的50米口径天线和40米天线,位于昆明的40米天线。

其中位于天津武清的70米口径天线,是亚洲最大的单口径全可动天线,简直是给天问一号量身定做的,今年初才建成,是接受天问一号科学载荷数据主力。

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此外,还有上海65米口径的天马射电望远镜也作为备胎,作为地面数据接收站的补充。这是服务于天问一号火星探测的地面数据接收系统。

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地面上还好些,大不了把接受口径做大,但是天问一号上就难了,因为通信是双向的。你这边喊再大声,那边是个聋子也不成。你这边耳朵再灵敏,那边是个哑巴也不行。

天问一号,受制于火箭的运力,受制于火箭口径,受制于电力供应,只能把天线口径做到2.5米,发射功率也小的可怜。

那边听力(接收能力)有限,只能提高地面天线的嗓门,也就是发射功率;那边嗓门不大,只能把这边耳朵做大(口径)。

路上还好,到了火星以后还有难题。由于火星也在自转,每天总有一半的时间背对太阳,因此一天有一半的时间没法用太阳能电池,只能靠储电。

还有一半时间背对地球,没法直接联系。还得考虑到火星上的沙尘对太阳能电池板发电效率的影响,这一切的一切,都制约着火星车的通信能力。

因此最终采用了中继通信的方式,也就是让天问一号的轨道舱当二传手,既节约了火星车的电力,也可以保证随时可能跟地球保持联系。

如果没有通信能力,火星车上的仪器再先进,也会成为火星上的垃圾。而通信保障,只是众多环节中的普通一环……

(三)火星着陆,祝融号的恐怖九分钟

除了通信,火星降落(着陆)也是一大难关。降落大约需要9分钟,这9分钟之内,着陆舱的速度要从2万公里每小时降到零,每一步都不容许有差错。

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要想进入火星的大气层,角度太小则会发生打水漂而无法进入,角度太大则会温度过高而烧毁。

火星的空气非常稀薄,地表的空气也只是地球地表的1%。空气稀薄则降落伞减速不够,速度降到一定程度,还得甩掉防热底,伸开缓冲腿,甩掉降落伞,用反推发动机减速。

着陆火星——当年一起吹过的牛,只有中国实现了

反推发动机,在火星空气中会产生不稳定的羽流,加上飞行速度快,很容易失控翻跟头,所以火星着陆难度比月球高出几个数量级。

在离地还有600~800米时,着陆器还得悬停,观察一下地面情况,选择一块合适的区域准备着陆。在100米高度再次悬停,观察地面情况。

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不然一落下来,刚好掉坑、掉石头缝就完蛋了,掉浮尘堆也不行,陷进去出不来了。悬停还不能太久,燃料有限。

最关键的,这些过程要它自己分析判断,最终做出决断。因为没办法跟地球人商量,电波一去一回得半个小时,人类根本无法遥控。

所以这个降落,被科学家称之为恐怖9分钟,失败的概率相当大。所以天问一号着陆舱着陆,央视没有直播,有担心失败的因素。

正是因为太难了,所以成功之后,祝融号火星车发回报捷信号,飞控中心一片欢腾,但是火星探测任务工程总设计师张荣桥却哭了,他是喜极而泣。

张荣桥说:为了今天,10年前筹划,千军万马为之奋斗了6年,我们在发射场坚守了110天,在北京航天飞行控制中心坚持了202天完成火星环绕,之后到今天又坚守了93天。

看着他花白的头发,我鼻子也酸溜溜的。真是太不容易了,国家真的应该设立一个基金,把明星偷税漏税的钱补到这个基金,用于提高广大科技工作者的待遇。

着陆成功之后,祝融号火星车就该出场了。祝融号火星车身负重任,携带了六台科学仪器,要完成五大科学目标,分别是:

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绘制火星形态和地质结构图;调查火星表面的土壤特征和水冰分布;分析火星表面的物质组成;测量电离层和火星地表气候及环境特征;探索火星的电磁场、引力场和内部结构。

(四)航天探索,为后代开辟自古以来

为什么要进行火星探测,这个意义跟月球探测一样,因为我们的目标是星辰大海。我们错过了大航海时代,不能再错过星辰大海。

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西方社会步入近代文明,就是从大航海时代开始的,他们靠全球的殖民掠夺,实现了资本的原始积累,开启了西强东弱的世界格局。

领先了世界几千年的中国,也正是因为盲目自大、闭关锁国,错过了大航海时代,错过了科技革命,差点被西方列强豆剖瓜分。

中国绕月探测工程、嫦娥一号卫星系统总指挥兼总设计师叶培建,曾经这样描述月球探测和火星探测的重要性,他说:

宇宙就是个海洋,月亮就是钓鱼岛,火星就是黄岩岛,我们现在能去,我们不去,将来的后人要怪我们,别人去了,别人占下来了,你再想去都去不了,我就想想这一条理由就够了。

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事实也是如此,中华民族历来是勇于探索未知世界的。前人们不断地开疆扩土,才有我们底气十足的自古以来。

从历次科技革命来看,也都跟人类对未知世界充满好奇心有关,牛顿好奇苹果为什么从树上掉下来,瓦特好奇蒸汽为什么能掀起来壶盖,奥斯特偶然发现了磁针的偏转……

正如张荣桥所说:对一个国家来讲,我们必须通过这些重大的、前瞻性的科学探索活动,来提升我们的技术,提升我们对未知世界的认知。从国家角度来讲,就是要提升国家的能力。

美国科技的长盛不衰的原因,就是一直坚持很多重大的、前瞻性的科学探索活动,也为美国培养和聚集了一大批科技人才,让美国牢牢占据人类科技的至高点。

此外,航天事业本来就是人类历史上最复杂的系统工程之一,它的发展取决于国家的综合国力,反过来又推进国家的科技发展。

航天系统需要极高的精度和可靠性,苛刻的要求,迫使我们主动去寻找和发现新材料、去创新新工艺。

很多航天领域的发明,逐渐被用到了民用领域,探测月球地表特征的图像技术被用于医院的CT,圆珠笔、太阳镜、缓冲气囊、陀螺仪、多种食品干燥剂等都来自航天科技。

从人类长远利益角度,探索宇宙也很有意义。无论是从寻找新资源的角度,还是给地球找备胎的角度,人类都得想办法走出地球。当然,我们首先应该保护好地球,也得节约资源。

火星,毕竟是离地球最近的行星之一,探索火星是我们了解宇宙的又一个窗口,也将会是人类探索深空的一个高空跳板。

中国正在致力于中华民族的伟大复兴,顺道构建人类命运共同体。中国作为一个有梦想的大国,有责任引领人类探索未知世界,寻找球外资源和地球备胎。

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但需要注意的是,宇宙探索要坚持进行,要扩大投入,但也要量力而行,因为这项活动太烧钱了,风险还很大,切不可像苏联那样过把瘾就死。

(五)终极浪漫,把一起吹过的牛实现

所以把握好自己的分寸、把握住自己的节奏很重要。在这一点上,我是特别佩服中国航天人的,可以说一步一个脚印,把三步走玩出了花。

比如载人航天工程,1992年立项,就分为了大三步:第一步发射载人飞船;第二步实现出舱行走,发射空间实验室;第三步是建造空间站。

我国的嫦娥探月工程,2004年立项,也分为了三步走:第一步,无人月球探测;第二步,载人登月;第三步,建立月球基地。

其中第一步又可以分为三小步:第一小步,绕月飞行;第二小步,实现软着陆;第三小步,实现采样返回。

2005年,科学发现报上公布了中国的探月三步走,其中还有严格的时间表,3年内实现第一步,6年内实现第二步,2020年实现第三步。

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看到了中国立下了雄心壮志,其他国家也摩拳擦掌,制订了各自的探月计划。《科学发现报》的同一版面上,列着各国的月球探测计划。

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实际执行情况如下:三年内的20071024日,嫦娥一号圆满并超额完成第一步;又过了六年(2013122日),嫦娥三号实现了软着陆。

不过,第三步出现了偏差,因为长征五号火箭遇到了一点问题,耽误了一点点进度,但是20201217日,嫦娥五号还是如期带着月球样品,返回了地球。

那其他各国呢?先说日本,2007年日本抢在嫦娥一号之前,发射月亮女神一号探测器,然后就没有然后了,据说是经费和技术方面的原因,发射无限期推迟。

再说印度,印度2008年也发射了首次月球探测器——月船1号,2009年月船1号出现故障,通信中断,与地球失去联系,然后就没有然后了。

美国原本计划2015年重新登月,最迟不超过2020年。然而现在都2021年了,美国的登月计划依然遥遥无期……

其实不只是探月计划,载人航天也是如此。神舟一号发射后,日本、印度还有韩国等,都拿出了自己的PPT,然后就没有然后了。

到了最后我们才发现,大家曾经一起吹过的牛,只有中国实现了我认为,这就是中国人特有的浪漫。

为什么只有中国人能实现?我认为归根结底有三点原因,一是独立自主,一个是民族精神动力,一个是社会主义制度保证(党的领导,集中力量办大事)。

这三项,让中国人有了超强的目标规划能力和战略执行能力。任何困难,通过任务分解,就变成了小困难,然后一以贯之,逐步去攻克。

事实证明,没有独立自主,梦想很难实现。比如导航系统,我们曾想搭欧盟的便车,结果钱交了人被踢出来了;还有可控核聚变,欧洲也是猪队友,中国后来受不了选择了单干;火星探测也不例外。

中国早就有火星探测的梦想,只可惜自家的火箭推力不够,那咋办?只能叫车,穷得叮当响的俄罗斯抢到了单。

20076月正式跟俄罗斯签署合作协议,用俄罗斯的大推力火箭,在200910月的窗口期发射中国的萤火一号火星探测器。

2009年初,中国如期完成了萤火一号的制造,然后在当年4月送往俄罗斯的指定地点等待上车,结果一去才发现,俄罗斯那边掉链子了。

我们原以为叫的是专车,可实际上来的是拼车。这火箭上还有另一位乘客——俄罗斯的福布斯·土壤火星探测器。

这个乘客迟到了,也就是福布斯·土壤火星探测器没造好,只能等啊,结果一等就26个月,也就是发射日期推迟到了2011119日。

研发的高精尖探测器,那都是有寿命的,萤火一号设计寿命也就两年,错过这个窗口期,等于报废了。但没办法,数亿公里的路程,没车怎么走。所以萤火一号又被拉回来了。

着陆火星——当年一起吹过的牛,只有中国实现了

2011119日,中国的萤火一号跟俄罗斯福布斯·土壤探测器一起拼车,搭乘俄罗斯的火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心升空。

结果更坑的是,发射升空之后,某个发动机启动失败,未能脱离近地轨道,2012116日,萤火一号跟俄罗斯福布斯·土壤一起坠入了太平洋。都怪这火箭不好听——叫天顶2SB。

着陆火星——当年一起吹过的牛,只有中国实现了

有了独立自主,有了民族精神,有了制度优势,我相信各种卡脖子问题一定会被解决。正如主席所说的:中国人民有志气有能力,一定能在不远的将来赶上和超过世界先进水平。

最后用李德胜的话结尾:让那些内外的反动派在我们面前发抖吧!让他们去说我们这也不行那也不行吧!中国人民的不屈不挠的努力,必将稳步地达到自己的目的!

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