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火星遥感:难关不少 “门槛”很高
发布时间:2021-11-24     来源:中国航天报     作者:张雪松      浏览:784

天问一号火星探测器。

天问一号探测器环绕器于11月8日成功实施变轨,从中继轨道调整到遥感轨道,未来主要执行火星全球遥感探测任务,并继续为祝融号火星车提供通信中继支持。我们对地球轨道上的遥感卫星并不陌生,那么火星轨道上的遥感又有什么不同呢?

火星遥感的意义

近年,中国航天大力推进高分辨率对地观测系统建设,高分专项十余年来硕果累累,地球遥感应用也日益贴近普通人的生活。可是,火星上没有居民点,更没有道路,那么对火星进行全球遥感又有什么意义呢?

19世纪意大利天文学家乔范尼·夏帕雷利观察火星时发现很多细线,被称为“水道”,但翻译成英文时被译成“运河”,感觉像是人工开凿的。人们开始畅想:火星上存在高度发达的文明社会么?

1965年,美国水手4号探测器史上首次从火星附近飞掠而过,首次近距离拍摄了火星照片,展示给世人一个充满撞击坑的火星表面,发现所谓“火星运河”只是误会。1971年,进入火星轨道的水手9号探测器不仅拍摄了大量照片,还探测了火星大气的组成、密度、温度、压强及火星的重力场,证明火星是寒冷贫瘠的行星。

毫不夸张地说,正是火星遥感技术戳破了人类不切实际的美梦。与此同时,火星遥感发现:火星是最近似地球环境的太阳系行星,是未来人类最可能开拓的新家园。这给未来“火星人”的出现奠定了基础!

火星遥感的不同

地球遥感卫星分布在地球轨道上,尤其是太阳同步轨道和地球同步轨道。火星遥感分为飞掠遥感和环绕遥感等,即使是环绕遥感的轨道器,也和地球遥感卫星有很大不同。

地球和火星的距离最近时也有5000多万公里,航天器进入地球轨道不容易,进入火星轨道更是难上加难。鉴于此,早期火星遥感是飞掠探测,简单地说,就是从火星附近掠过,惊鸿一瞥。美国的水手4号、水手6号探测器都是执行飞掠探测火星任务,苏联早期对火星的6次飞掠探测都失败了,直到火星2号探测器进入火星轨道。而地球遥感并没有所谓“飞掠轨道”,毕竟飞出地球引力圈要比环绕地球更困难。

飞掠火星不易,火星入轨更难。为减少制动减速的推进剂消耗,火星探测器很少使用圆轨道,比如苏联火星2号探测器运行在近火点1380公里、远火点24940公里的椭圆轨道,这是火星遥感探测器常用轨道类型。地球遥感卫星主要运行在近圆轨道,非要找轨道相似的,只有闪电轨道的红外预警卫星了。

广义的地球遥感卫星既有光学和雷达遥感卫星,也有专注观测天气变化的气象卫星,还有军用天基红外预警卫星等。火星探测目前只有科学价值,获取的资源微不足道,所以还没有分门别类发射遥感卫星,仍是一个探测器执行多种遥感任务,载荷配置方式与地球遥感卫星完全不同。

以天问一号探测器环绕器为例,它携带了高分辨率相机、中分辨率相机、次表层探测雷达、矿物光谱分析仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪等。由此可见,天问一号探测器环绕器的有效载荷覆盖了绘制火星全球遥感影像图、获取火星重点区域精细观测图、研究火星矿物组成分布和火星内部结构,以及探测分析火星大气、火星磁场和近火星空间环境等领域。

而且,天问一号探测器环绕器功能多,并非我国“毕其功于一役”的特例。美国火星勘测轨道器装有高分辨率相机、背景相机、彩色相机,以及用于矿物分析的影像频谱仪、气候探测器、专注地质结构研究的浅表层雷达,还有火星重力场探测套件、探测火星高层大气密度的大气结构探测加速计,同样是琳琅满目,种类齐全。

火星遥感的难关

目前能发射地球遥感卫星的国家很多,但仅有美国、中国、印度、阿联酋及欧空局拥有火星遥感环绕器,而能拍摄高分辨率火星遥感照片的只有中美两国。

火星遥感会遇上很多“拦路虎”,第一个难关就是地火距离遥远。运载火箭必须具备足够运力和入轨精度,还需探测器平台提供足够速度增量,完成地火飞行修正和火星轨道插入机动,保证探测器调整到火星遥感轨道,其难度远高于地球遥感卫星。

火星探测器和地球的距离近则约5500万公里,远则约4亿公里,不仅通信损耗高,而且,通信时延大,偏偏传输带宽相对较小,所以需要高灵敏度接收机和高增益天线等设备,尽量满足通信传输的需求。

探测器从地球向火星飞行,随着与太阳的距离变化,承受的太阳辐射强度随之变化,对电源和热控都提出了更高要求。而且,探测器工作期间面临日凌等情况,一旦通信链路中断,需要长期自主运行。可以说,即使不考虑遥感任务对载荷的要求,火星探测本身就难度很大。

火星遥感的另一个难点是载荷。

火星探测器的尺寸、重量一般不大,比如美国火星勘测轨道器2005年发射,重2.18吨,有效载荷重139千克,而欧空局“火星快车”和印度“曼加里安”都只有1吨左右,有效载荷更少,科学成果恐怕相对有限。

美国火星勘测轨道器携带了1台高分辨率科学相机,相机光学系统口径0.5米,曾是深空探测任务最大的相机,在300公里高度可获得0.3米的分辨率,也是目前分辨率最高的火星相机,制造难度可想而知。

所以说,根据自己的技术实力,选择合适的遥感载荷,开展独特的科学探索,是火星遥感面对的另一个巨大挑战。日本就放弃了火星高分辨率遥感任务,另辟蹊径,开展火星卫星取样返回任务。

火星和地球相距遥远,不仅探测器平台要面临诸多问题,更意味着火星遥感给通信造成的压力很大。印度“曼加里安”的有效载荷有限,但仍需配置约2米直径的大口径高增益天线。美国火星勘测轨道器更是装备了3米口径的高增益天线,还使用X波段通信系统,并对Ka波段进行测试,其X波段通信带宽最高可达6兆比特/秒,是更早的火星探测器通信能力的10倍以上,以满足快速传输高分辨率照片的需求。

高性能的火星遥感载荷也需要高性能的通信载荷,意味着需要建立全球组网的强大深空通信网,并为火星探测器配备先进的通信子系统,这给航天遥感和通信带来了极高的技术和工程难度。

总而言之,火星遥感任务绝非司空见惯的地球遥感任务重复,独立执行有科学价值的火星遥感任务,“门槛”很高。当然,如果仅仅是发射“火星玩具相机”,那就另当别论了。


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