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今天，我國首次火星探測任務(wù)“天問一號(hào)”探測器在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)著陸，在火星上首次留下中國印跡，邁出了我國星際探測征程的重要一步。  2020年7月23日，在中國海南島東北海岸的文昌航天發(fā)射場，天問一號(hào)探測器搭乘長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭順利升空，今年2月到達(dá)火星，成功被火星捕獲，經(jīng)過3個(gè)月的養(yǎng)精蓄銳，完成著陸巡視器與環(huán)繞器分離，軟著陸火星表面。 整個(gè)降落過程大致分為“進(jìn)入”“減速”“軟著陸”三步，簡稱為EDL(Entry， Descent，Landing)。  天問一號(hào)登陸火星概念圖 圖源：學(xué)術(shù)頭條 天問一號(hào)在進(jìn)入火星大氣層以后首先借助火星大氣，進(jìn)行氣動(dòng)減速，將下降速度減掉90%左右。 緊接著天問一號(hào)打開降落傘進(jìn)行傘系減速，當(dāng)速度降至100米/秒時(shí)，通過反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，由大氣減速階段進(jìn)入動(dòng)力減速階段。 在距離火星表面100米時(shí)，天問一號(hào)進(jìn)入懸停階段，完成精避障和緩速下降后，著陸巡視器在緩沖機(jī)構(gòu)的保護(hù)下，抵達(dá)火星表面。 后續(xù)，天問一號(hào)上裝載的火星車“祝融號(hào)”，將依次開展對(duì)著陸點(diǎn)全局成像、自檢駛離著陸平臺(tái)并開展巡視探測。  祝融號(hào)中國人千百年來的“向天之問”，也將揭開部分答案。 2021年，美國、中國的探測器先后抵達(dá)火星地表，阿聯(lián)酋的希望號(hào)作為一枚火星環(huán)繞器已在目標(biāo)軌道飛行多日。 目前成功到過火星軌道的有蘇聯(lián)、美國、印度、歐空局、阿聯(lián)酋、中國，他們都已經(jīng)完成“繞”這個(gè)階段；而成功著陸火星的，按嚴(yán)格意義來說，只有美國和中國。 毅力號(hào)火星降落示意圖 圖源：NASA 這些探測器都帶我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了這顆紅色星球，宇宙新大陸的面貌正在我們眼前變得越來越清晰。 有人會(huì)問，我們?yōu)槭裁匆ㄟ@么大的力氣去研制火星探測器，為什么要去探測火星？我想主要是“至所未至，知所未知”的好奇心使然。 當(dāng)人們有條件、有能力，也有保障的時(shí)候，總是希望去未知的地方看一看。  何志平 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員 火星探測器是如何“看見”火星的？ 分析火星地表成分要靠“針灸”來實(shí)現(xiàn)？ 火星的極端天氣對(duì)探測有何影響？ 下載造就APP，觀看完整演講 有效載荷相當(dāng)于火星探測器的眼睛、耳朵，可以從不同方面探測火星的信息，包括地形地貌、物質(zhì)成分、環(huán)境、地質(zhì)活動(dòng)，以及氣候條件等。 “天問一號(hào)”上配置了13臺(tái)套有效載荷，其中環(huán)繞器上7臺(tái)套，火星車6臺(tái)套。我們將利用環(huán)繞器在火星上空進(jìn)行大范圍的宏觀探測，利用火星車到我們最感興趣的地方開展精細(xì)探測。   人的眼睛也可認(rèn)為是一個(gè)光譜成像儀器，可以感知不同色彩的圖像。而光譜學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在人眼看不到的地方，也有很多光譜信息。我們就是利用光譜信息與物質(zhì)成分之間的關(guān)聯(lián)性來探測的。
火星上富含氧化鐵，所以火星看起來才這么紅； 發(fā)現(xiàn)火星表面有輝石、橄欖石等礦產(chǎn)資源信息以及分布情況； 在火星的極地有冰，其中大部分是干冰，小部分是水冰。 而在火星表面，除了利用吸收光譜以外，還常常采用激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)。它主要是通過探測對(duì)應(yīng)元素成分的特征光譜來分析。就像人的指紋一樣，每一種元素都有對(duì)應(yīng)的光譜特征信息。  在火星表面，利用火星車探測的國家主要是美國，得到了很多有價(jià)值的成果，如： 火星曾經(jīng)可能有溫暖濕潤的環(huán)境； 火星曾經(jīng)可能存在過微生物； 這些發(fā)現(xiàn)，也進(jìn)一步激發(fā)了人類對(duì)火星的興趣。今年的火星探測很熱，原計(jì)劃有四次火星探測任務(wù)，包括中國、美國、阿聯(lián)酋和歐空局。后來歐空局因故推遲，所以現(xiàn)在有三個(gè)探測器正在奔向火星。 “天問一號(hào)”在環(huán)繞器上配置火星礦物光譜分析儀，在火星車上配置火星表面成分探測儀，對(duì)火星的物質(zhì)成分進(jìn)行探測。 環(huán)繞器上這臺(tái)儀器的譜段主要在紅外，我們把它叫紅外光譜眼?；鹦擒嚿系膬x器，主要利用激光誘導(dǎo)技術(shù)，所以也叫激光光譜眼。 什么是定標(biāo)呢？打個(gè)比方，我們以前用手表時(shí)，需要經(jīng)常對(duì)時(shí)，去校正它的準(zhǔn)確性。同理，紅外光譜眼在探測過程中，也要將所獲得的火星光譜特征信號(hào)校正的更準(zhǔn)。這主要依靠多溯源、綜合性的光譜定標(biāo)方法。 多溯源指的是校準(zhǔn)用了多個(gè)源，包括太陽，自帶的標(biāo)準(zhǔn)燈，冷空間及火星特定區(qū)域。通過對(duì)這多個(gè)目標(biāo)溯源的觀測，可以更準(zhǔn)確、全面了解儀器的響應(yīng)狀況，將探測的數(shù)據(jù)校對(duì)的更準(zhǔn)確。 同時(shí)，探測火星特定區(qū)域，這些美國、歐洲等國家探測過的地方，比對(duì)我們的數(shù)據(jù)與他們的數(shù)據(jù)，在做科學(xué)研究時(shí)，特別是有新發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，更容易得到同行認(rèn)可。 激光誘導(dǎo)光譜在火星上的探測，就像對(duì)火星進(jìn)行“針灸”。把激光匯聚到約0.2毫米的小點(diǎn)上，發(fā)出的高能量密度激光射在火星表面，由此產(chǎn)生高溫使物質(zhì)形成等離子體而發(fā)光，看起來就像一個(gè)很亮很亮的小點(diǎn)。 通過探測其中的光譜信息，我們就能知道探測的火星部位有什么元素。 溫度是繞不過去的一個(gè)坎，雖然火星車對(duì)儀器有一定的保溫的作用，但激光光譜眼有三個(gè)部件是安裝在火星車外面的，就相當(dāng)于暴露在室外的空調(diào)外機(jī)。 所以它要經(jīng)受嚴(yán)寒，要在接近零下一百度的環(huán)境中活下來，并且在低溫下能正常的工作，拿到可靠的數(shù)據(jù)。同時(shí)，還要在多沙塵暴的環(huán)境中存活并正常工作。 這些工作需要突破很多技術(shù)難點(diǎn)，那么，光譜眼是如何突破難點(diǎn)錘煉出來的呢？主要是靠自主創(chuàng)新，而且是被“逼出來”的自主創(chuàng)新。 舉例來講，紅外光譜探測用到了一個(gè)技術(shù)叫“聲光光譜探測技術(shù)”，我們最早開始研制的時(shí)候，不是為了火星，而是圍繞月球探測任務(wù)開始研發(fā)的。 它要用到的一個(gè)核心器件叫聲光可調(diào)濾光器，英文簡寫是AOTF。這個(gè)器件當(dāng)時(shí)國內(nèi)沒有，最有效可行的方式是全球合作。 我們找到美國的一家機(jī)構(gòu)，希望能夠定制購買，在美國現(xiàn)有的器件基礎(chǔ)之上，研制出我們需要的應(yīng)用器件。但是協(xié)調(diào)下來并未成功，只能靠我們自己做。 我們首先在國內(nèi)找到生長晶體的單位合作，解決大口徑、高性能的二氧化碲晶體材料。 后來，又找到一家單位，雖然他們以前沒有做過聲光可調(diào)濾光器，但是他們做過聲光原理的器件，具備設(shè)計(jì)和工藝基礎(chǔ)； 同時(shí)，研制專用設(shè)備，支撐產(chǎn)品研發(fā)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備工藝確認(rèn)以及最終產(chǎn)品檢驗(yàn)所需要的測試能力。通過與國內(nèi)多家單位的協(xié)作，我們最終高質(zhì)量完成了這個(gè)國產(chǎn)化器件的研制。 有人就會(huì)問，為什么非要用這個(gè)技術(shù)不可？這其實(shí)也是被科學(xué)探測需求“逼出來”的。剛剛提到，這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)，并不是為了火星，而是月球。 月球與火星的不同在于，它的表面溫度比較高，而且沒有國家去過月球表面探測紅外光譜，沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。 我們經(jīng)過分析、驗(yàn)證，AOTF技術(shù)很適合在月球較高溫度條件下探測紅外光譜。因?yàn)?/span>它有一個(gè)特性——可以用電控選擇波長。 每個(gè)物體都在發(fā)出紅外光，我們?nèi)梭w也一樣。在疫情期間，我們利用人體發(fā)出的紅外光可以測量溫度。 在月球上也一樣，我們儀器本身也發(fā)出紅外光，而我們又要測量月球表面的光譜，兩者之間會(huì)互相干擾，很難拿到有效的數(shù)據(jù)。 利用AOTF的特性，把信號(hào)光關(guān)掉的時(shí)候，可以測量儀器自身的紅外光，把它打開的時(shí)候，測量儀器的紅外光疊加月球紅外光，這樣就很容易算出月球表面光譜的信息。 除此之外，利用它可選擇波長的特性，可以探測到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。 打個(gè)比方，我們平時(shí)拍照的時(shí)候，如果在場景里有一個(gè)很亮的目標(biāo)和一個(gè)很暗的目標(biāo)，無論如何設(shè)定拍照的參數(shù)都不太好。要么亮的地方過曝，白花花的一片，要么暗的地方很暗，看不清細(xì)節(jié)。 但是我們可以單獨(dú)分別針對(duì)暗的及亮的地方設(shè)置曝光時(shí)間和光圈，就都能得到質(zhì)量較好的圖像效果。 同理，要探測目標(biāo)的幾百個(gè)光譜，利用波長選擇特性，我們可以根據(jù)每個(gè)波長的強(qiáng)度，單獨(dú)針對(duì)它設(shè)定參數(shù)進(jìn)行探測，可以獲得這幾百個(gè)光譜最優(yōu)的信息，最終能拿到好的數(shù)據(jù)。 通過這兩個(gè)特性，我們完成了月球的紅外光譜探測，所以這次在火星上應(yīng)用，我們就有信心多了。 現(xiàn)在，距離“天問一號(hào)”發(fā)射已經(jīng)過去50多天了，它仍然在路上。
回到開頭的問題——我們究竟能不能在火星上找到最適合種土豆的地方？我們究竟能不能在火星上找到最適合人類改造、生存的地方？我們?nèi)祟惥烤谷绾巫叱龅厍?，走向未來的太空時(shí)代？ “天問一號(hào)”任務(wù)中對(duì)火星表面的物質(zhì)成分探測，其實(shí)是我們深空探測任務(wù)中“一小步”。 這些宏大目標(biāo)，都是由無數(shù)個(gè)這樣的“一小步”來實(shí)現(xiàn)的，“積跬步以致千里”，我們走向深空的征程才剛剛開始。 （本文未經(jīng)造就授權(quán)，禁止轉(zhuǎn)載。） 歡迎掃描下方二維碼，勾搭小編 |
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