機智號完成第39次火星飛行,我國祝融號仍然未喚醒,出了啥問題?

人馬座a 發佈 2023-01-15T06:57:42.557007+00:00

現在美國的火星直升機在過冬後已經重新開始了工作,於2022年12月3日進行了第35次飛行,而就是今年1月13日,機智號進行了第39次飛行,空中停留時間達到了79秒。

現在火星表面還活著的探測器只有4台,分別是2011年發射的好奇號、2020年發射的天問一號巡視器(祝融號火星車),以及同樣在2020年發射的毅力號火星車和機智號火星直升機。

好奇號和毅力號都是大型火星車,裝備了昂貴的核電池,從不發愁電力和保溫問題,因此也不懼怕剛剛過去的持續6個月之久的火星冬季。但祝融號和機智號是沒有核電池的,在火星的嚴冬中要經受嚴酷的考驗,甚至不得不休眠好幾個月。

現在美國的火星直升機在過冬後已經重新開始了工作,於2022年12月3日進行了第35次飛行,而就是今年1月13日,機智號進行了第39次飛行,空中停留時間達到了79秒。看來這架小巧玲瓏的火星直升機並沒有被凍壞,仍然能在火星上飛來飛去。

不過我國祝融號火星車的情況卻讓人有些擔心。它是在2022年5月18日進入休眠模式的,正常情況下應在2022年12月左右自主喚醒。但時至今日,仍然沒有任何祝融號已甦醒的消息。有外媒甚至直接說祝融號可能已經「沉默」了,令人十分揪心。

祝融號為什麼要沉睡這麼長時間呢?因為它只能依賴太陽能來發電和保溫,但火星冬天的條件實在太惡劣了,無法支撐火星車的正常工作。火星真是從各方面都和地球比較像,它的自轉軸與公轉平面存在25.19°傾角,因此也會有春夏秋冬之分。

不過由於火星的公轉周期較長,大約是兩個地球年,所以它的冬天持續的時間也會是地球上的兩倍,也就是大約6個月。祝融號的著陸位置是火星北半球的烏托邦平原,緯度是北緯25.1°,所以會經歷比較明顯的冬天,冬至就在2022年7月21日。

火星上的冬天和地球類似,太陽高度較低,因為火星車能夠得到陽光較少,電池板的發電能力會下降。由於火星距離太陽較遠,大氣層又非常稀薄,所以火星冬季的氣溫比地球上更低,特別是夜間。

在祝融號著陸的烏托邦平原地區,冬季白天的最高氣溫只有-20℃,而夜間最低會降到-130℃(冬至時),十分寒冷。火星車上有鋰電池和很多嬌貴的儀器,無法承受這樣的低溫,因此冬天對火星車的保溫能力是一大考驗。

更加雪上加霜的是火星冬天還會颳起沙塵暴,不僅進一步減弱了陽光,火星風帶來的塵土還有可能覆蓋太陽能電池板,造成火星車發電能力的進一步下降。

好奇號和毅力號這樣的大型火星車,裝備了重達數十公斤的核熱電池。這種電池採用4.8公斤鈽238氧化物作為原料,利用鈽238同位素的衰變熱,通過直接熱電轉換的方法就可以發電,初期發電功率可達125瓦左右,雖然效率不高,但是非常可靠,也足夠使用了。

除了發電之外核熱電池還會發出大量的熱量,甚至需要專門的散熱片把多餘的熱量散發出去。所以好奇號和毅力號根本不用擔心冬季陽光不足和夜間低溫的問題,它們在冬天仍然能正常工作。

但這種核電池的成本是相當高的,毅力號的電池就價值7000萬美元。另外核電池還會隨著時間而衰減。鈽238的半衰期是87.7年,起碼在10多年的時間裡,衰減並不太明顯,所以服役10餘年的好奇號依然能夠老當益壯在火星上行進。

但對於祝融號和機智號來說,它們並沒有配備核電池或核熱源,因此火星冬天對它們是一個嚴峻的考驗。機智號在夜間是靠加熱器來給電池保溫的,也就是用白天發的電在夜間加熱。由於冬季白天光照不足,NASA被迫將加熱器的觸發溫度下調到了-40℃,但仍然因加熱器長期工作而導致電力不足,因此也被迫原地不動,無法再飛行。

不過機智號所在的緯度約為18.45°,比祝融號更低,條件要稍微好一些。祝融號不僅著陸緯度高,攜帶的儀器設備也比機智號更多,需要的電力和熱量更大。它除了有四片如同蝴蝶翅膀一般的太陽能電池翼之外,還採取了其它保溫措施。

例如火星車外部有金色的保溫塗層,內部還填充了氣凝膠保溫材料,儘量減少熱量的散失。另外祝融號的一大特點就是帶有集熱裝置,採用正十一烷為工質。它的背部有兩個集熱窗,可在白天收集熱量,使得熔點為-26°的正十一烷熔化,吸收熱量。

到了夜間溫度降下來以後,正十一烷又會凝固,從而釋放出熱量。靠這些手段,祝融號內部可以保持安全的溫度範圍,使電池和各類儀器不被凍壞。但是在冬季陽光不充足、沙塵暴較多的情況下,祝融號即使竭盡全力也無法正常工作了。

因此祝融號與玉兔月球車一樣, 採用了自主休眠和自主喚醒。當達到一定條件後,火星車就開始「睡覺」,在此期間不再和地球聯絡,等溫度回升到一定程度後又會自主醒來。祝融號於去年5月18日進入休眠,但時到今日,火星已經冬去春來,卻還是沒有收到祝融號已經喚醒的信號,這是什麼原因呢?

能夠想到的有這麼幾個:最大的可能是祝融號所處的緯度相對高一些,太陽光照和溫度仍然沒有達到火星車自主喚醒所需的條件。

據航天科技五院天問一號探測器系統副總設計師賈陽介紹,喚醒需要兩個條件,一個是能源夠不夠,必須測到它的能量大於140瓦之後。第二個條件是溫度,必須保證電池等的溫度提高到-15℃以上。兩個條件具備了,火星車自然就會醒。

還有一種可能性是在漫長的冬季里,沙塵暴等惡劣天氣給火星車的電池板上蓋了太多的塵土,使得電力供應上不去。美國2018年發射的洞察號探測器,就是因電池板上塵土過厚,無法再發電而壽終正寢。

不過沙塵暴不僅會帶來塵土,也能吹走塵土。美國曾經的機遇號和勇氣號火星車的除塵方法是停留在有坡度的地形上,然後利用沙塵暴期間的高速火星風來吹走電池板上的塵土。這種方法已經被實踐所驗證,每刮一次沙塵暴,火星車的發電能力反而會顯著上升。

但處於休眠狀態的祝融號是無法開到斜坡上去的。為了防塵,祝融號的太陽能電池板表面增加了一層超疏基電池蓋片,這是一種納米級微觀結構,能夠減小火星塵顆粒與電池板之間的接觸面積,從而使得顆粒更容易被火星風吹走,除塵效率可達80%以上。

另外祝融號還首創採用了一種「主動除塵」技術,車身兩側的太陽翼可實現一維轉動至垂直姿態,從而直接倒掉覆蓋在太陽翼表面的塵土。但這種主動除塵也需要電力才能實現,休眠期間是無法進行的。

因此,假如這個冬天裡因為一些偶然因素,祝融號上覆蓋了過厚的塵土,的確會影響到它的正常喚醒。不過這也不用太擔心,等到太陽高度再高一些,溫度再上升一些,祝融號還是會醒來,到時候把太陽翼舉起來把灰塵一倒,也就解決問題了。

當然還需要考慮到一種情況,就是祝融號事實上已經醒來了,但通信天線出了問題,無法與地球聯繫。祝融號有兩種和地球通信的手段:一種是直接通信,一種是通過火星上空的環繞器來中繼通信。火星車因此裝備了兩套通信天線,分別工作在X波段和UHF波段。

X波段天線可以直接與地球通信,但天線口徑不大,實施直接對地通信時,傳輸速率僅2位元組/秒,用來確認設備工作狀態還是足夠的。同時X波段和固定不動的UHF波段都可以和環繞器通信,再通過環繞器中繼來聯絡地球。除非兩套天線都壞了,否則祝融號是不會聯繫不上地球的。

而最令人不願去想的可能性,就是祝融號沒能捱過殘酷的嚴冬,在零下上百℃的低溫中出現了致命的破壞,從而再也不可能醒來,也就是被「凍」死了。但現在下這個結論還為時尚早,接下來的日子裡祝融號給我們驚喜還是大有希望的。

國外天文愛好者還曾經提出過一個更聳人聽聞的假想,即祝融號早已醒來,但環繞火星運行的天問一號軌道環繞器出了故障,無法與地球通信了。但這個說法已被打臉,1月10日,德國天文愛好者經過測量和計算,發現天問一號正在向我國佳木斯地面站傳輸大量數據,也就是說它一切正常。

現在最好的辦法,還是再等一等。畢竟火星的冬天剛過去不久,天氣條件還不是那麼好,再過上一兩個月,才能確認祝融號的狀態。退一萬步說,即使祝融號真的醒不過來了,也不用過於失望,因為它的設計壽命只有三個月,而著陸火星之後它工作了一年才休眠,已經大大超出了預定目標,仍然是一輛成功的火星車。

即使是美國,在火星探測和著陸方面也經歷了很多失敗,歐洲更是沒能完成一次成功的著陸。中國天問一號首探火星就能取得這樣的成績,已經非常不容易了。

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