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致敬“祝融号”,你身披国旗永远与火星同在

考虑到火星的恶劣环境和探测器苛刻的工作条件,“祝融号”的生存概率正在趋近零

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文 观察者网专栏作者 陈蓝

航天爱好者,英文电子杂志“Go Taikonauts”创办人之一

最近一段日子,远在1.7亿公里外的“祝融号”火星车成为了无数国人的牵挂。

期待中12月应该从休眠中苏醒的“祝融号”继续沉默了两个多月。考虑到火星的恶劣环境和探测器苛刻的工作条件,“祝融号”的生存概率正在趋近零。

奇迹或将不会发生,提前悼念一下也不为过。

其实,奇迹已经发生,那就是“祝融号”本身。

从2021年5月22日走下着陆平台,到2022年5月18日因沙尘暴进入休眠,“祝融号”在火星上工作了几乎一整年(342个火星日),行走距离1921米。相比之下,美国第一台火星车“旅居者号”只工作了83天,行走108米;苏联第一台火星车(火星2号携带)则坠毁在火星上;欧洲的第一台火星车“富兰克林号”研制十多年,眼看就要发射,却因俄乌战争爆发被迫终止和俄罗斯的合作,发射再度大幅延迟。

中国第一次独立的火星任务就携带了轨道器、着陆器和巡视车并全部获得成功,这是历史上前所未有的。甚至在“祝融号”在火星表面压出第一道轮辙的那一天,我们就可以盖棺定论地说,中国首次火星探测已经取得了近乎完美的巨大成功。

我们一举超越俄欧印日,几乎赶上美国。这样的超越式发展,当然可以称之为——奇迹。

已载入史册的“祝融号”和着陆器合影(图源:CNSA)

所以,我们不必纠结于“祝融号”是否还会醒来。它已经写下了一个完美的句号。

诚然,“祝融号”的科学产出还无法和美国最新的“毅力号”火星车相比,但考虑到“天问一号”任务更重要的目的是工程能力的验证,是为未来更大规模的火星探索积累技术,它的意义就无法只用科学发现来衡量了。

毫无疑问,火星将成为21世纪人类开拓新边疆的重要目的地,是大国竞争的必争之地,影响巨大而深远,想象空间无限。“天问一号”和“祝融号”是中国在这个宏大棋局中走出的第一步,开局堪称漂亮。

笔者曾在一年半前“祝融号”突破三个月工作寿命时写过一篇文章,预测人类未来几十年的火星探索将由中美两国主导。中美火星竞赛将成为中美全方位竞争的一个组成部分;中国巨大的经济规模、强大的国力和高效的执行能力、专业化的科学决策机制、广泛的技术和人才积累,以及执行长期战略的决心和意志,都将成为我们的优势。

一年半来,双方在火星上取得了什么进展?未来的计划是否有所变化?中美火星竞争会有一个怎样的结局?本文将就此做一个回顾,并对未来发展做一些分析和展望。

历史上成功软着陆火星的探测器在火星上的位置(图源:NASA)

先说美国这边。

“毅力号”火星车今年2月18日度过了它着陆火星的两周年纪念日。凭借核同位素电池,它可以连续工作而不需要休眠,两年来行程已接近15公里。它已经完成10处20个岩芯样本和一份大气样本的采集,待未来采样返回任务带回地球(其中10份保存在火星车,另10份相同地点采集的样本作为备份扔在火星表面)。“机智号”直升机完成了46次飞行,累计时长79分钟,飞行总距离突破10公里,最大飞行高度14米。

“好奇号”火星车还在继续工作,迄今已超过10年半(3750多火星日),行驶将近30公里,但均未打破“机遇号”的记录(14.5年,45公里)。2022年12月21日,NASA宣布最后一台在火星表面工作的固定着陆器“洞察号”结束任务。

在轨道上,美国依然占据着巨大优势。七个仍在工作的轨道器中,有三个属于NASA:“奥德赛”、“MRO”(火星勘测轨道器)、“MAVEN”(火星大气与挥发物演化任务)。但它们的工作年限已分别超过21年、17年和10年。其他四个轨道器分别是中国的“天问一号”、欧洲的“火星快车”和“微量气体轨道器”、阿联酋的“希望号”。

美国的这些火星探测器虽然在不断丰富人类的火星知识(比如发现越来越多水曾经存在的证据),但近来均没有突破性的重大科学发现。它们更多的意义也是在为未来火星探索积累工程经验。

未来十年,NASA最重要、也可能是唯一的火星任务,就是计划于2028年发射的火星样本回收着陆器。它将于2030年着陆在“毅力号”附近,等候“毅力号”接近。它会用机械臂抓取“毅力号”上已经采集的样本试管,转移到着陆器携带的“火星上升飞行器”(一个小火箭)上。后者从火星起飞后,将在火星轨道上和欧洲航天局的“地球返回轨道器”对接并转移样本。欧洲轨道器则计划于2033年携带样本返回地球,实现软着陆。

NASA火星采样回收任务主要构成(图源:NASA)

听起来是不是有点复杂?

其实为减轻发射重量(样本回收着陆器最新发射重量只有3.4吨,而“天问一号”是5吨),原方案专用的样本转移火星车已经被取消。但现有方案需要“毅力号”再坚持工作7年。为此,NASA也准备了备份方案——

在无法进行直接转移或转移失败的情况下,着陆器携带的两架“火星回收直升机”将捡取扔在火星表面的备份样本,送到着陆器,前提是距离不能太远;此外,着陆位置如果偏差太大,“毅力号”可能就要多花数年才能到达,甚至永远无法到达。

这是一次赌博。涉及环节越多越复杂,风险越大。只要一个环节出问题,任务就将终结。

令人感叹的是,美国火星采样返回任务经过数十年的酝酿和规划,还拉了欧洲合作,规模缩减,风险却增加。以往美国重要火星任务采用的双探测器配置(例如“海盗一号”和“二号”、“勇气号”和“机遇号”)已成为历史。

还有NASA的载人火星计划。按去年5月NASA公布的目标,计划最早于2030年代后期将4名宇航员送往火星,其中两名将登陆火面生活30天,整个飞行则需要500多天。但理想很丰满,现实很骨感。多年来NASA的载人登火概念方案出了一版又一版,却始终看不到落地。所以这次也是看看就好。如果按SLS(Space Launch System,太空发射系统)那样的搞法,尤其还要依赖SLS发射的话,多半不靠谱。

至于马斯克的火星计划,这一年半,他的星舰轨道首飞不断跳票,现在的说法是这个月。马斯克关于火星计划的最新推文发于2月11日,他表示人类极有可能在10年内登陆火星,最快可能只需5年。好吧,“极有可能”……可能,确实比过去低调多了。

总结一下,美国火星计划依然雄心勃勃,但NASA已今非昔比,宏大计划执行起来可能已力不从心。经济政治因素的影响也不容忽视。中美对抗和俄乌战争已经改变了世界格局,美国的未来同样是一个很大的未知数。不过,美国的实力依然强大,技术积累雄厚,绝对不容低估。而马斯克,更可能成为半路杀出的程咬金,取代NASA成为美国火星计划的主力。即便是NASA,它的火星采样返回任务赌赢的概率也很大。

再来说说中国。

“祝融号”在休眠前工作十分顺利。2021年11月,欧洲航天局火星快车轨道器用“盲听”形式成功接收“祝融号”信号并发回地球,最终转发至北京航天飞行控制中心。“天问一号”轨道器在2021年11月完成“祝融号”中继任务后变轨转入遥感轨道,最终完成了火星全球中分辨率影像数据的获取和一系列工程试验。“祝融号”停止工作后,“天问一号”轨道器将长期聚焦于遥感观察和工程试验。

我国也计划了火星采样返回任务。它就是“天问三号”(“天问二号”为小行星探测任务),预期将于2028年发射两个航天器:着陆器—上升器组合体、轨道器—返回器组合体。

它们都将于2029年抵达火星。“着上”组合体将实施火星软着陆。着陆器将用机械臂在火星表面采集样本,完成后由上升器将样本于2030年发射至轨道,和“轨返”组合体进行对接并把样本转移到返回器。2031年7月,返回器将回到地球,实现样本回收。

“天问三号”飞行计划(图源:CNSA)

我们的方案其实和NASA的计划很类似,难度和风险也相当大。但我们有不少有利因素。

首先,“天问三号”的样本采集方式直接简单,不涉及多台探测器的交互,风险大大减少。

其次,我们有“嫦娥五号”月面采样返回的成功经验。中国是世界上唯一实现无人航天器从地外天体起飞以及地外轨道无人交会对接的国家。和月球相比,火星采样返回只是规模更大、航程更远、着陆和起飞难度增加(由于火星大气层)、一次发射变成了两次而已。“嫦娥五号”有大量经验可继承和参照。

再次,我们有制度优势。只要目标明确,我们就有意志和能力将它长期执行下去。中国载人航天和月球探测计划就是最好的例子。

所以,中国极有可能在火星采样返回上实现对美国的超越。我们不仅在时间上提早两年(我国2031年,美国2033年),我们计划采集的样本也更多(我国一公斤,美国600克)。而且,相信中国的火星采样返回任务将会把载人登陆火星的相关技术验证考虑进去,就像“嫦娥五号”作为未来载人登月的技术验证(缩小版)一样。

2021年6月,中国在当年的全球太空探索大会上,公布了我们自己的载人登火计划。这又是一个屡试不爽的“三步走”计划:近期取样返回,中期载人登火,远期火星基地和大规模开发。

如果说第一步取样返回,我们在可能在时间和采样重量上超越NASA,那么第二步载人登火计划中,我们不仅会有和SpaceX火星计划相当的巨型火箭、可复用轨道转移级和单级登火舱,而且在地火转移中会使用堪称科幻、让星舰也黯然失色的核热和核电推进,从而实现技术上的超越。

说起星舰,它已经越来越可能是美国载人登火的希望所在,因为SLS虽然历经无数次延迟,终于成功完成了“阿尔忒弥斯一号”试射任务,登上了人类在役最大火箭的宝座。但是,它复杂而昂贵的弱点也暴露无遗。不要说火星,就是基于SLS的载人登月计划也将无比昂贵,未来十年美国能否持续支持这样一个没有短期产出的巨型项目,已经是一个很大的问号。

超重/星舰的可复用和低成本有着极大的竞争力,大概率会在未来某一天替代SLS。很难想象NASA会并行于SpaceX执行另一个更昂贵的载人火星计划。但星舰设计过于激进,隐含的风险极大,最后能否成功仍然有很大的不确定因素。

长九、超重/星舰、SLS Block 2比较(图源:NASA/SpaceX/网络)

中国的策略更为稳妥。

载人登月用“长征十号”替代了“长征九号”,让我们有更多时间优化“长九”的设计。龙乐豪总师一年披露一版的长九方案让我们看到了其优化的脉络。

2月28日龙老透露的“长九”最新方案再次用上了200吨级液氧甲烷发动机。安装30台发动机的光杆“长九”第一级将实现复用,使得它和超重/星舰的差距进一步减小。

事实上,低成本发射系统不仅是火星计划的关键,也是人类大规模进入太空的基础。让人欣慰的是,中国正在这方面急起直追。

正如我在一年半前的文章中所说的,我们也许有机会(也有幸)看到一场波澜壮阔的火星竞赛。那将是一场决定未来百年地球格局和太阳系力量对比的大国竞赛。

顺便说,在这之前,也就是接下去的十年里,我们将目睹一场同样精彩的中美载人登月竞赛。其实这种和平方式的科技竞争未尝不是坏事。当初美苏的太空竞赛极大地促进了科技的发展,转化的技术造福经济和民生,至今仍在受益。希望中美太空竞争也能造福全人类。

未来几个月,也许火星上会出现一场沙尘暴,将“祝融号”电池板上的灰尘吹落,电力得到恢复。也许随着火星温度变化,系统终于突破阈值恢复工作。也许,环境变化会导致未知的随机性故障自行修复。如果这样,我们就把它当作意外的惊喜好了。

不管发生什么情况,“祝融号”终将在火星上一直沉睡下去,直到有一天我们的后人们来到它的身边。那时,它将成为一个重要的历史遗迹,会被小心地保护起来,长期存在下去。它身上的那面五星红旗,将永远和火星同在。

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