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火星沙尘暴肆虐!祝融号火星车会否重蹈美国“机遇号”覆辙?

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  “天问一号”火星探测器一切准备就绪,即将把“祝融”号火星车送到火星表面。如一切顺利,着陆器将携“祝融”号在火星预定地点登陆。

  关注“天问一号”的朋友一定注意到咱们中国火星车背部那四片硕大的太阳能面板,它水平展开的样子像一对蝴蝶的翅膀,由此带来一个疑问:这能抵挡火星上那漫天的沙尘吗?

  

  “祝融”号火星车

“机遇号”死于火星沙尘暴

  火星是距离地球较近的一颗岩石星球,由于其表面环境相对没那么恶劣,因此成为航天大国开展行星科学研究的理想之地。迄今为止,人类已经向火星发射了数十个无人探测器,而成功着陆者寥寥。它们分别是1972年前苏联的“火星3号”,1997年美国“火星探路者”,2004年的“机遇号”和“勇气号”,2008年美国的“凤凰号”,2012年的“好奇号”,以及2018年的“洞察号”。其中“火星3号”在着陆后110秒毁于火星的沙尘暴,“机遇号”也因为太阳能电池被沙尘覆盖而宣告死亡。

  

  机遇号太阳能电池板被沙尘覆盖

  从“机遇号”2014年的两张全景相机自拍照片我们可以看出,它背部的太阳能电池板有时几乎被富含氧化铁的沙尘完全覆盖,左图的透光率仅55%,右图因为被风拂去了些沙尘,透光率回升至77.7%,发电量也随之恢复到0.574千瓦时/天。如果你知道火星车太阳能电池的设计供电能力是900Wh,就能明白沙尘暴的影响究竟有多大了。

  

  好奇号火星车2012年与2019年自拍对比

  “好奇号”火星车由于采用了核电池供电,它不依赖太阳能,因此也无惧风沙。2012年干干净净地抵达火星,至今一身黄土还能正常工作。

  不像在地球,你可以用袖子擦掉爱车上的沙土;当年登月的阿波罗宇航员也可以用专门设计的毛刷拂去月球车散热器上厚厚的月尘。人上不了火星,火星车上也没法装刷子,为了除掉尘土多争取些电能,科学家们可谓是薅光了头发想破了脑袋。

  

  阿波罗宇航员用静电刷扫去月尘

  “机遇号”太阳能电池板的表面很光滑,在有风的情况下可以吹走一部分尘土;当无风时,地面控制人员会遥控火星车爬斜坡,依靠车体的振动让沙尘滑下来。这种方法大多数时候有效,除非没有风又无坡可爬。

  2018年,火星上爆发全球性沙尘暴,“机遇号”受困,因电力不足进入休眠状态。由于无法抖落身上覆盖的沙土,2019年NASA宣布放弃这辆已经超期服役14年的火星车。

  

  “机遇号”依靠爬坡振动使尘土滑落

火星上为什么会有沙尘暴?

  这是许多朋友一直纠结的问题:都说火星上空气稀薄,它表面的平均大气压仅有600Pa,是地球海平面标准气压(101kPa)的0.6%,它怎么能刮起沙尘暴呢?

  火星表面覆盖着薄薄的大气层,大气层中又主要是二氧化碳这种温室气体,造成火星地表的热惯量很低。当有阳光照射时,空气与土壤很容易被加热,而在阳光照射不到之处,热量流失的也很快,昼夜温差常常高达50℃。巨大的温差直接导致的结果就是火星上的风速很快,环绕火星飞行的探测器有时能录得时速超过160公里的沙尘暴。

  由于没有水,火星地表覆盖着许多细小的红色粉尘,当有时速超过112公里的风吹过时,地表的颗粒物会发生滚动弹跳,它们互相撞击,有一些被吹到空中,这就是地质学中的弹跳(Saltation)现象。

  

  沙尘暴原理简图

  火星大气中悬浮着大量直径小于3微米的尘埃,它将火星的天空染成了红色。尽管大气稀薄,但火星的重力加速度也很低,这使得细小粉尘可以在静电力和范德华力的作用下长期悬浮在空中。而大风吹起的20μm左右的颗粒物也能在火星大气中悬浮几个月时间,并被气流带到很远的地方。

  

  沙尘暴席卷整个火星前后对比

“天问一号”的探测任务

  “天问一号”上搭载了许多科学探测设备,而“祝融号”火星车的其中一项重要科学任务就是研究火星的天气,因此科学家们将巡视器的着陆区选在了火星北部的冲击盆地。

  

  “祝融”号预选的两个着陆区

  这两个预选着陆区非常广阔,地势相对平坦,有利于第一次火星着陆尝试。由于远古时期的强烈撞击,大量火星地下物质涌出地表,也有助于对火星地壳之下地质情况的研究与分析。

  

  预选着陆区

  选择这里的另一个原因是,这些区域是火星沙尘暴的主要发源地。在北半球的夏天,太阳照射火星北半球的地表会使温度急剧上升,从而更容易引发沙尘暴。一般情况下火星地表平均发生沙尘暴的概率大约是0.9%,而在“祝融”号预选着陆区附近的发生概率则可能高达7%。

  也就是说,咱们的火星车实际上就是奔着沙尘暴去的!

  

  着陆区沙尘暴多发

  “祝融”号火星车上除了搭载有地形相机和多光谱相机外,还安装了测地雷达、多组气象感应仪器、磁场探测以及火星表面成分探测仪,这些设备都有助于在漫天风沙中分析研究火星的气象和地质情况。

  

  火星车展开部署

火星车为迎接沙尘暴的考验做好了准备。

  当着陆器在火星表面着陆时,它的太阳能电池板处于折叠的状态,这表明“祝融”号火星车的太阳能电池板并非像“机遇号”那样固定不动,它可以水平展开,也能像蝴蝶翅膀那样竖起或倾斜。同时,科学家们还在火星车的太阳翼表面做了一个“超疏基”不粘涂层,这样,当太阳能电池组件上覆盖了灰尘之后,地面控制站的专家们不需要像NASA的科学家那样一边薅头发一边琢磨着怎么让火星车抖落尘土,只需轻轻立起帆板,就能将沙尘清除。

  其实这么简单又有效的操作,我们登月的嫦娥与玉兔月球车早已经实现了。

  

  部署前,太阳能帆板处于折叠状态

  因此,即便是“祝融号”降落到火星沙尘暴肆虐的地区,我们也大可不必担心它重蹈“机遇号”的覆辙,发什么“天黑了”之类的悲情信息。它一定能在火星表面留下中国科学工作者的足迹,圆满地完成科学探索任务。

  

  火星沙尘暴想象图

  让沙尘暴来得更猛烈些吧!中国准备好了,“祝融号”已经准备好了!

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