如果笔者告诉你“祝融”火星车是自己休眠后再没醒来,各位相信吗?而且在休眠前就知道这次“关机”后可能再也醒不过来,既然知道要醒不来又为何要休眠?答案是我们的火星车技术上仍然有“缺陷”,不得不休眠!
祝融火星车:第一次就成功登陆火星
“祝融号”火星车是中国空间技术研究院研制的第一辆火星车,2021年2月10日搭载天问一号抵达火星轨道,并于同年5月14日成功登陆火星北半球的乌托邦平原,中国成为继美国后第二个成功将巡视器着陆在火星表面的国家。
祝融号火星车重240千克,携带了导航与地形相机、火星车次表层探测雷达、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、火星表面成分探测仪、多光谱相机等共六台科学载荷,其任务是研究当地的地形和地质、检查土壤和任何冰含量、元素、矿物和岩石与大气采样等任务。
祝融号登陆火星之所以会被说是“第一次就成功登陆火星”是因为火星任务中成功率只有50%,而且以绕落巡一次完成三项任务的,只有中国敢这样操作,欧美与俄罗斯等国都是多次任务后才敢实施登陆火星,可见中国的深空测控与航天器制造技术已经到了炉火纯青的地步。
火星天气极端恶劣:祝融火星车只能选择休眠
祝融火星车的设计寿命为90个火星日(大约93个地球日),实际工作已超过一年且仍在继续,不过按月球车与火星车的设计与实际工作寿命来比较,祝融号似乎正当年,再干个几年根本没问题,然而祝融火星车却在2022年5月18进入休眠后再也没有醒来,而原因是火星天气实在是太恶劣了。
火星距离太阳约1.5天文单位,看着就比地球多了0.5天文单位,可不要小看这0.5天文单位,这一下就比地球距离太阳远了7000多万千米,导致火星获得的辐射只有地球的40%,所以火星天然就比要地球更冷一些。
另一个则是火星大气非常稀薄,大气压只有地球的1%,且大气中二氧化碳含量超过95%,夏季白天赤道地区温度可达35℃左右,但在夜间由于没有大气温室效应,温度可低至-73 ℃。
这两个原因导致火星夜间温度很低,电子设备在低于-40℃的环境下难以胜任工作,这个夜间温度低于-73℃条件下必须要采取保温措施,祝融火星车也采用了正十一烷蓄热机制用于保温,这种温度相变材料在白天吸热融化,晚上固化并释放热量保证祝融火星车度过寒冷的火星之夜。
要是祝融火星车天天过这种日子倒也没啥大问题,毕竟火星上极度干燥,并没有云彩挡住太阳,所以白天吸热,晚上放热,日子过的挺自在!但火星毕竟是火星,这颗变态天体条件要比各位想象得严重得多。
十二月中时就有很多朋友在社交媒体上发文称,祝融号应该在12月初就自动唤醒,但现在已经超时快1个月,仍然没有任何消息,有网友称是祝融号可能在火星上被“冻死”,也有朋友称可能是天文一号轨道中继器出了问题了,到底是哪个问题?祝融号还能醒来吗?
“祝融号”的冬季休眠:为何一睡就是6个多月
2022年5月20日,澎湃新闻网报道,天问一号任务团队通过环绕器获取的中分辨率图像,发现祝融号火星车巡视区经历了一次明显的沙尘暴过程,融号火星车巡视区进入冬季,天气白天最高气温降至零下20摄氏度以下,夜间最低气温降至零下100摄氏度,到7月中旬火星冬至前后,气温还会进一步下降。
为应对沙尘天气导致的太阳翼发电能力降低及冬季极低的环境温度,按照设计方案和飞控策略,祝融号火星车5月18日转入休眠模式。预计今年12月前后,祝融号火星车巡视区将进入初春季节,环境条件好转后,将恢复正常工作。
祝融号冬眠:为何一睡就是6个多月?
“祝融号”火星车是我国的第一辆火星车,2021年5月14日成功登陆火星北半球的乌托邦平原,迄今为止已经在火星上平安工作一年半了。其任务是研究当地的地形和地质、检查土壤和任何冰含量、调查元素、矿物和岩石与大气采样等任务。
火星车总重240千克,高1.85米,由四个太阳能电池板供电,保温则由10个罐子中的正十一烷完成,白天吸收热量并融化,晚上固化并释放热量保证祝融火星车度过寒冷的火星之夜。
之所以要这样安排是因为火星的环境比较特殊,火星虽然有太阳系中的“第二地球”之称,比如自转一周也接近24小时,火星自转轴倾角有25.19°,也存在四季之分,但火星环境极端不友好,大气压只有地球的1%,且大气中二氧化碳含量超过95%,夏季白天赤道地区温度可达35℃左右,但在夜间由于没有大气温室效应,温度可低至-73 ℃。
因此在火星上工作的设备,白天日子还是比较好过的,但到了夜间必须要有保温措施,而祝融号则是用吸热的正十一烷完成保温过程,而从5月18日开始到12月初的休眠,则是火星冬季低温的休眠,因为从5月底开始,火星北半球将进入“一年一度”的冬季,一直到12月初。
火星冬季长达半年?为什么会这样?
火星绕日轨道半长轴大约为2.28亿千米,要比地球轨道远1/3还要多久,这让火星的一年也特别久,长达686.98个地球日,相当于1.88年,地球上北半球的冬季大致为3个月,而且地球还因为海洋与大气流动的共同作用,即使是冬季也不会那么冷。
而火星的季节与地球还有些不一样,第一个是因为火星的一年特别长,接近地球的2倍,冬季也被“均匀”拉长至接近6个月,而另一个则原因则是火星轨道的离心率要比地球更高,达到了0.093 412 33,地球只有0.0167086,这让火星的轨道更扁一些。
然而不凑巧的是火星北半球的冬季还在远日点这一侧,不仅获得的光照更弱,而且还因为倾斜日照,让本就不“富裕”的日照再次被“薅了羊毛”,所以火星北半球的冬季要比南半球的冬季更冷、日子更难熬。
火星冬眠
祝融号在火星探测的过程中,难以避免的遇到了火星风暴带来的影响,火星的环境变得更为恶劣,哪怕是白天的气温也在零下20℃,更别提夜晚能够达到零下100多℃。可见火星这样的环境对探测器工作并不友好,科学家经过反复的衡量之后,认为祝融号在火星冬眠,能够更好的保护自己,之后等到火星风暴的影响减弱之后,就能再次开展火星探测的工作。实力的质疑
很多西方国家因此而质疑我国的航天技术,甚至认为航天技术已经出现了很大的退步。可能很多人都不够了解,祝融号探测器利用太阳提供的动能,确实能够更好的吸收光照和热量。可是没有足够的光照以后,它的探测活动就会受到很大的影响,因为无法驱动探测器去工作,所以在火星上没有必要白白浪费时间。科学家选择此时让祝融号休眠,是为了更好的保护它们免受恶劣天气带来的影响。要知道在这样的低温环境下,设备过度工作很有可能会陷入瘫痪,今后也会出现一蹶不振的情况。
有网友问,为何和我国同年着陆火星的美国毅力号火星车,为啥在冬季不需要休眠呢?
与祝融号靠太阳能提供电能不同,毅力号使用的是核动力电池提供电源,无需阳光提供能量,便可维持正常工作。
我国祝融号为什么不使用核动力电池呢?
毕竟我国在嫦娥三号、嫦娥四号的时候就已经使用了,但背后原因可能有点让人心酸。嫦娥三号装备的是国产核电池,表现或许也能差强人意吧。但到嫦娥四号装备的是俄罗斯核电池,其中缘由大家想必也能猜想到,国产核电池还是有提高的空间。
然而在嫦娥四号之后,俄罗斯方面没有继续给我国提供核动力电池,而且火星与地球的距离又远远超过月球。因此,为了保险起见,祝融号还是选择了太阳能供电模式。由此可见,虽然航天技术我们取得了很大成就,与美国相比,但还是有很多可以进步的地方。
不过话说回来,祝融号的设计寿命是3个月,目前已经在火星上待了600多天,已经属于严重超期服役。一句话,无论祝融号未来是否能苏醒过来,我国天问一号火星探测任务都已经圆满成功!
祝融号结构
第二,光热不充分,太阳能板收集的热量少,即使在光照良好的时候,也无法正常驱动探测器的工作。
所以,探测器在一个星球上的休眠工作至关重要。
不仅是祝融探测器,所有装载太阳板的火星探测器都会面临这样的问题。
比如,美国的美国索杰纳号、勇气号在内的6辆火星车,全部都采用的是太阳能供能设备,在某个特殊的时期,必须要冬眠。
同时,在沙尘天气当中工作,对于探测器来说,也是非常危险的。
此前,美国的索杰纳号火星车就强行在沙尘天气运行,结果风沙阻挡了太阳的热量,导致太阳能板无法吸收到有效热量,差点就出了问题。
而它的姊妹——勇气号火星车,则是永久地在火星地表失联。
勇气号火星车如图所示
其次,在这样的低温环境下,人类目前技术所建造的火星车,很难正常开展工作。
并且在过程当中,所需要的能量更大,一旦消耗过量,很容易导致设备陷入永久瘫痪,再难重启。
如何重启?
为了让祝融号能够顺利地度过冬天,科学家还在它的表面覆盖了一层特制的“保暖衣”,具有保暖和隔冷的效果。
那么,祝融号在什么样的条件下会苏醒呢?
其实很简单,外界光照所提供的能量足够祝融号重新启动当中的电子设备,就能够主动唤醒自己。
当然,前提是在寒冷的冬天,这些设备都没有损坏。
在冬眠之前,祝融号将内部的所有电子设备都关闭,并将收集到的能源转化为热能,用于度过寒冬。
如果冬天出现了极端天气,或者是冬季的时间过长,内部电子仪器长时间没有能源启动,势必会对设备造成损坏。
火星的冬季
就像是家中的电视或者是冰箱,要是长时间不用肯定会多多少少出现问题。
火星大约会在12月份进入到初春季节,这也是祝融号最有可能苏醒的时间,可是都到了次年的1月份,祝融号还是没有苏醒的迹象,这不免让人堪忧。
国外的媒体正是基于这点,对我国未能按时苏醒的祝融号进行了“贬低”。
祝融号
苏醒的祝融号
2023年1月,祝融号仍旧没有苏醒的迹象,国外的质疑声也越来越大,难道祝融号真的永久沉睡在了火星吗?
显然不是,除了专家的“辟谣”之外,项目组的有关研究人员表示,这是我们为数不多的火星探索工作,经验不足导致我们无法精准预计祝融号苏醒的时间是正常的。
祝融号是肯定会醒来,可能会比预计的时间晚上2个月、3个月甚至更久。
为什么祝融号会比专家预计的时间更晚呢?
第一,火星表面的风暴断断续续,导致初春时节,虽然有大量的光照条件,但是祝融号仍旧无法收集到足够的能源。
火星
第二,祝融号着落点区域环境比科学家预想的要恶劣,该处的环境升温慢,光照渐进性复苏。
综合这两个因素,这才延缓了祝融号的复苏。
从这里我们不免看到太阳能探测器的弊端所在,很多人可能会想,为什么我们不用核电池而是用太阳能探测器呢?
要知道核电池的续航能力强大,足够支撑火星车的整个探索旅程。
祝融号火星车
核电池和太阳能
我们常说的核电池是指,利用同位元素衰变所释放的热量获取的能源,根据不同元素的性质,元素的衰变周期稍有差异。
比如用于制造核弹的同位元素,其半衰期高达3万年以上,足够量的同位元素物质产生的能源足以驱动航母等大型设备。
电池的同位元素主要为Pu-238(半衰期89.6年),从火星车的能源需求来看,一块核电池怎么也能用上好几年、十几年的时间。
核电池结构
但问题是,核电池并不稳定,当它暴露在火星这样极端的环境当中,很容易出现故障,在很多时候,还有可能影响火星车的正常工作。
并且核电池的制备技术并不成熟,很多国家都难以投入到实际的使用当中,成本高、收益低用于航天领域效果不佳。
上世纪美苏航天争霸就常常采用核电池,往往达不到理想的效果。
而太阳能是一种永久性清洁能源,它的成本低,价值高,开发潜力巨大。
太阳能能源使用
未来,太阳能将继续提升在人类能源领域的地位,为人类带来福祉。
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