火星“科考小记”

韩大洋 薛炳森

在世界航天史上，距离人类首个近距离探测火星的美国水手4号探测器飞掠火星已过去55年，距离首个成功登陆探测火星的海盗号探测器着陆也已过去近45年，而这一次，中国航天将带来一场不同以往的“探险”，天问一号将携带它的轨道器和登陆器一举完成“绕、着、巡”的探火壮举。从发射升空起到2021年的2月份，天问一号将在浩瀚的宇宙中独自前行，直到明年2月中旬（预计2021年2月11日至24日期间）抵达火星轨道并由环绕器开始火星空间环境的探测，最终，登陆器和巡视器将在2021年4月23日前后登陆火星。

报告，我已到达

作为中国首个登上火星的巡视器，请先允许我激动一下，还有，以往那些来自地球的“前辈”们，我也来报到啦！

刚才着陆器的那一套减速、悬停、避障、软着陆的机动动作非常漂亮，现在他就停在我的身后，将继续协助我一起完成接下来的火星巡视探测任务。

反冲发动机工作时激起了不少火星灰尘，现在的我被笼罩在一片红红的火星“沙尘暴”中，不过完全没关系，我可是专门针对火星的环境而设计制造的，这点影响对我来说问题不大。

我随身携带了6台仪器设备。第一個是探地雷达，这是玉兔号大哥“借我”专门探测火星“路况”的，能够直达土壤深处一探究竟;第二个是可以通过激光引导的光谱仪，他能够对火星岩土完成精细的测量;第三个是探测火星磁环境的磁场探测器;第四个仪器是测量大气数据的气象测量仪，除此之外，还有用来给火星拍照的多光谱相机以及帮助我巡视火星并防止迷路的导航仪。他们现在陆续开始工作了，一系列探测数据正源源不断地传输回来。除了地面的探测，我们还有空中观察。在我登陆火星之前的近两个月时间里，环绕器就已经沿着大椭圆轨道围绕火星一圈圈地探测了，他携带了中、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测器、火星磁强计、火星粒子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪共7台设备，能够对火星开展全球性、普查性的探测，下一步就要看我巡视器的本领了。

火星的大气环境和地球有很大不同。首先大气层非常稀薄。值得注意的是火星大气气压只有800帕，低到不足地球的8/1000。而湿度为零的大气干燥无比，空气成分也无法供人类呼吸，其中绝大部分是二氧化碳以及氩气和氮气。温度虽然不太舒适，但相比其他行星还算得上“宜人”，这里夜晚温度大约为零下120摄氏度，随着太阳的照射气温升高，预计正午时分将上升到宜人的20摄氏度左右，晒暖和了，我也要继续出发。咦？前面好像有些“异常”情况。

火星上沙尘暴频现

巡视器随身携带6 台探测设备

一条条红色的龙卷风舞动着身体向我靠近，在远处还有一些“雾霾”样的东西。这也难怪，因为火星的自转轴倾角较大且轨道偏心率高，所以在火星到达近日点的这一段时间前后，受太阳辐射较平时更高的影响，火星上的大气运动尤其是沙尘暴会频繁出现，届时将会是漫天红沙遮天蔽日，这种“滚滚红尘”会给我的能源供给以及行动造成很大的不便。我的任务周期大概是90个火星日，差不多要在火星上一直科考92天多一点，在这期间我和地球上的“师傅”们都会时刻提防这里的“滚滚红尘”。

火星磁强计的数据也接收到了，这里的磁场非常弱，大概只有不到地球1/100的强度！火星内部的构造和岩浆活动已基本停息，不仅如此，整个火星并不像地球一样具有一个完整的磁场，而是“一块一块”单独分布的磁场区域。别看磁场不起眼，但却是行星最最重要的“保护罩”，缺少了它的保护，火星大气就直接暴露在太阳辐射的影响之下了，这也是为什么我们说火星的大气层是被太阳“吹走”的。

到达预定位置，雷达和光谱仪也开始了探测，我这样做可不是随便拍拍照，而是在做科学探测！火星的矿物、液态水情况还有火星土壤的结构与成分，经我这么一番摸索就能快速准确地获得大量关键数据，传回给地球的“师傅”们好好分析研究。不过，从火星到地球的通信可真不容易！

信号传输不容易

在我执行巡视火星任务期间，信号传输回地球需要跨越近4亿千米的宇宙空间，爱科学的少年们都知道，信号的强度和传输距离的平方成反比，距离越远信号越弱，相比月球探测的月地38万千米距离，地火通信的信号衰减可达60dB，信号传输的延迟时间以分钟计，地球接收到的信号信噪比也要弱很多，直接导致测控数据传输链路紧张、有效数据传输困难、传输实时性差等问题。为此，地球上的“师傅们”专门选择最适合地火通信的特殊频段，采用高动态低码速率的信号提高捕获与跟踪成功率。

“深空电话”线路畅通有保障

测控系统和地面应用系统可谓是“豪华阵容”+“重装上阵”。在飞向火星的过程中，测控系统的重要意义就如同连着风筝的那一根细线，要保证对天问一号的上下行信号“传得稳”，飞行状态“看得清”，轨道控制“抓得牢”。此次对测控系统的要求非常高，超过中国以往任何一次航天任务。

测控系统以现有的航天测控网和近十年才建立起来的深空探测网为基础，这其中包括北京航天飞控中心、佳木斯66米口径天线测控站、喀什35米口径天线测控站、阿根廷35米口径天线测控站等台站，并在喀什深空站再建设3副35米口径天线与原有35米口径天线组成天线阵系统，从而等效达到66米口径天线的能力。

为什么要在国内外的不同地点设置如此多的测控站呢？原来这是要尽可能多的与测控目标保持“联系”。因为地球的自转，一个地点的测控只能持续数小时甚至更短，测控站点越多、跨越的东西纵深越大，持续测控的时间就越长，测控的盲区就越少。

GRAS-4 天线与火星探测器数传通信示意图

而负责处理天问一号回传数据的是地面应用系统，为了保障对深空（最大距离超过4亿千米）回传数据准确且快速的接收，接收天线就要尽量大，背景信号干扰尽量低，信号的带宽足够大，为此，“师傅们”专门在天津武清新建了一副口径达到70米，重量超2700吨，面积等同9个篮球场那么大，并且可以对着火星自动转动跟踪的“超级大锅”天线，等着接收我回传的火星“自拍照”！

太阳是个“捣乱鬼”

除了信号传输难，还有太阳来“捣乱”。前面我们说到了火星的磁场非常弱小，完全无法抵御来自太阳的辐射“进攻”，通过轨道器和巡视器的联合探测，我们发现火星的高层大气会在太阳的照射（光电离作用）下形成电离层。电离层是什么？这是在通信信号传输中起关键作用的一种空间环境，根据频率的不同，无线电波遇到电离层时有的会穿过去继续传输，而有的会被电离层反射回来，如同镜子对光线的反射一样。由于暴露在太阳风下，火星大气因为太阳粒子的碰撞电离和溅射作用，电离层不太稳定，同时，地球上也有电离层，而它的稳定性同样受太阳活动的影响，这样一来就对原本困难重重的地火通信再多增加了一层难度。

有时候，太阳这个“捣乱鬼”还会“偷吃”我们的信号，到底是怎么吃的呢？

其实也不能全怪太阳，太阳作为一颗恒星，其表面的活动区（太阳黑子）会通过耀斑和日冕物质抛射等形式向外释放巨大的能量，其本身会产生大量“噪声信号”，与我们要传输的信号相比，这就有点像是两个声音在打架，如果在太阳爆发活动的同时，我们从火星发回地球的信号也到达了，这时我们要传回来的“话语”就可能被淹没在太阳的巨大噪声之下了。

磁场保护地球免受太阳高能粒子等的威胁

好在现阶段是太阳第25活动周的开始阶段，太阳近期一直平稳且无大的爆发趋势，可谓“表现很好”，要继续保持呀！

太阳是把双刃剑

巡视火星需要能量，能量充足我才能走得远、看的广，才能保证设備的正常工作，没错！这些能量都来自太阳的光能，在我身上左右两侧张开的“小翅膀”就是太阳能帆板，用来将光能转化为电能并储备起来。

火星上太阳的辐射强度大约只有月球表面的20%，简单来看就是在火星晒1个小时太阳所获取的电能只相当于在月球上晒12分钟的，虽然一个火星日比地球日长大约37分钟，但增加的这点时间对能量的补给还是杯水车薪，不仅如此，由于火星上经常沙尘暴肆虐，太阳能电池的发电量还会衰减，根据“老前辈”美国勇气号火星车的实测数据，太阳能电池发电能效的日衰减率为0.1%～0.3%，可别小看每天这一点的衰减，别忘了我可是要在火星上度过至少90个火星日夜呢！积少成多的道理朋友们都懂得。火星上的平均温度很低（零下60摄氏度左右），电池的一个弱点恰恰就是“怕冷”。为此，我的“师傅”们可是想了很多高科技的办法帮我保持温度，比如通过火星的太阳光谱来匹配太阳能电池，太阳能帆板防尘功能，火星大气环境隔热等技术手段，所以我现在才能活动自如，运转正常。

获取能源的问题解决了，还要防范来自太阳的高能粒子破坏我的核心电路以及所携带的高精密仪器，这是因为火星没有磁场、大气极为稀薄导致的。在地球上，因为磁场所形成的天然防护网，将来自太阳的高能粒子、电子等微粒导向了南北磁极，所以这些地方能够在太阳风暴活动之后看到绚烂无比的极光，大气中的气体分子和原子也会与这些高能太阳粒子发生碰撞，进一步降低辐射强度。但是火星完全不同，这些速度接近光速的1/10、如同一颗颗小子弹的高能粒子，会直接来到火星的向阳面，我的工作场景完全暴露在这些辐射之下。对于集成电路以及半导体器件来说，高能辐射会造成异常的电信号，产生错误指令，甚至是直接让仪器的核心器件损坏。别担心，“师傅”们对此早有周全的打算，他们对我的核心部位做了防辐射处理，这些粒子“叮叮当当”都打在我的“盔甲”上，里面的本尊可是毫发无损。