【博評】William:火星衝下的「火星大賽」 被忽略的技術躍進?

2020-08-05 14:52:47 最後更新日期:2021-02-08 17:32:41
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

由搭載天問一號的長征五型火箭載荷的整流罩上的貼紙,可得知今日的航天計劃事實上是全球化合作的成果:貼紙上標示的都是參與計劃或提供科研儀器的國家航天機構,例如歐洲太空總署、奧地利的FFG法國的IRAP及為中國航天提供地面發射站支援工作的阿根庭CONAE。(網絡圖片)

 

人類已進行過多次無人儀器火星探測,每一次都集中於火星衝的日子(地球與火星每次公轉周期所形成的最接近時刻)前後進行發射,以縮短發射時間及節省燃料,不過由於每兩年總有一次,且現在也有長駐火星軌道的衛星進行地表偵察任務,所以2010年代往後的火星研究成果雖然較前代豐碩許多,但發射次數卻有減少的跡像。

今次火星衝下的「大賽跑」相對過去幾次顯得比較熱鬧,更有三個國家加入。雖然,當中有一個早就說明其性質近似玩票性質;而歐洲太空總署(下稱ESA)原有第二階段「Exomars」的火星探測車任務則於今年三月宣布因為降傘技術問題未趕及在發射前得到解決,故惟推遲到2022年,故最受人注目的就是餘下的「兩強」了。

阿聯酋的希望號衛星,主要任務是觀察火星大氣層變化及當中各項氣體、水份、微塵含量指標及紫外線,基本上就是一個天氣監測衛星。(網絡圖片)

 

阿聯酋—阿拉伯人之光

阿聯酋的探測器(火星人造衛星)雖然是中東第一個行星探測器,但其功能上並沒有特別創新的地方,基本上就是過去幾顆火星人造衛星所做的天氣與「火」面觀察工作,不過由於對天氣觀察系統的強化,這衛星可說是第一個火星專用天氣衛星。唯一不同的是,這可是日本第二次火星發射任務(第一次因為探測器壞掉而無法入軌,失敗收場)、第六次月球軌道以外的行星 / 天體發射探測任務及H-IIA型火箭第三次行星探測任務(當然,外空間的導引仍然由NASA負責)。這次發射任務足以讓JAXA熟習火星入軌的控制,從而為日後的發射任務鋪路。巧合的是,今次阿聯酋的探測器命名為希望號(Al Amal),剛好與日本第一次火星發射任務的探測器同名。

整個「天問一號」載荷的構形。最底部是繞火衛星及相應的加速 / 減速入軌推進段段,上面白色倉部分是再入熱盾,當中包含著陸器與巡視器。天問系列將會是中國深空探測器系列的名稱,日後包括探火在內的深空探測器均會以「天問X號」命名。(網絡圖片)

 

中國—一次滿足三個願望?

眾所周知,中國第一個火星探測器「螢火一號」,於2012年因為「搭便車」的俄羅斯火箭失控,聯同「依附著」主體的費貝斯號火星探測器一同墜毀在地球大氣圈,結果內地決心不再假手他人,於9年後終於成功以自力發射無人探測器-「天問一號」前往火星。

「天問一號」入軌程序,2月接近火星時先啟動火箭引擎減速,令自身被火星引力捕捉,然後經過三次軌道調整,進入近火點265公里的軌道上。繞火過程中除確認著陸點情況,也持續監察周圍火星天氣,確認無慮後才投放著陸器,免得重覆1972年蘇聯火星三號著陸成功但隨即因遇上火星沙塵暴而故障失聯的慘事......(網絡圖片)

 

今次火星大賽中,火箭搭載能力最大的是「天問一號」所用的長征五型火箭,其地火轉移軌道達5噸以上,比H-2A及阿特拉斯5型(421構形)都要大(現役火箭中地火轉移軌道能力比長五更強的應是重獵鷹及三角州四型,但重獵鷹現役載荷艙大小不足以塞進載荷之餘又塞進地火轉移軌道用引擎,實際上只有三角洲四型做到,不過其發射價格非常昂貴,不太值得)。而事實上,亦正因為長征五號較出眾的地火軌道搭載能力,航天部門才大膽的嘗試一次任務中實行「繞、落、巡」三項主要任務(蘇聯70年代曾試過幾次類似任務,但全部失敗或只算部分成功),一步到位。

探測車(巡視器)和環火衛星(未展開太陽能電池板)的CG構造。探測車前方兩個盒子,是探地雷達,有助檢視火星表土層結構。現時最阻礙探測車工作的,可能是太陽能電池板,畢竟火星的一天和地球差不多,半天是晚上,無法充電,會嚴重影響探測車的工作及活動。(網絡圖片)

 

「天問一號」的軌道器主要任務和幾個火星在軌衛星一樣,都是建立地火中繼通訊網絡、觀測火星磁場、氣候、土質等,以及透過拍攝選擇最佳的降落地點,為明年4月的著陸器任務做準備工作。

2020年的火星衝是20年來第二近的一次。事實上,由於公轉周期有差別,加上地火間公轉軌道偏心率差距較大(火星0.09 VS 地球0.013,當然這圖比例不太對),故不只距離遠近差異很大,且每一次衝的距離都會有差異,通常最接近的火星衝,會被稱為火星大衝,上次大衝剛好在2018年,下次要等到2035年了。(網絡圖片)

 

現時通訊時差仍是較大的問題。火星與地球通訊延時依距離不同可以有3至14分鐘的差距,很多工作都要預先查察情況並計算、若臨時發現問題,都很難修正。2012年「嫦娥二號」完成探月任務後,中國航天局利用嫦娥剩餘燃料及月球的引力彈弓將探測器「一直外送」到距地球1.5億公里遠的繞日軌道,以進行深空遙距通訊與控制的試驗,然而,今次是真正進行深空控制的第一次正式任務,故中國除動用自身的深空通訊系統及環火衛星外,也會與歐洲太空總署合作,使用歐洲的火星快車作為備份中繼通訊系統,以減輕首次超遠程通訊及遙測控制可能造成的問題。

本年2月在內蒙進行的「天問一號」著陸器室外反推降落測試任務。(網絡圖片)

 

降落器方面,現時降落器仍採用熱盾的形式然後開反推引擎降落。這應是最為保險的一個方法。之前美國曾試過以充氣氣球包裹形式在空中直接墜到地上,以省卻反推引擎,雖然成功了,但降落的地點與姿勢其實很難控制,加上日後平台更大更重,故也沒有再嘗試了。和美國會將著陸器(反推引擎)拋棄不同,中國的著陸器雖然沒有科研器材,但會作為火星車的檢查 / 充電平台,以及地火中繼通訊的備份地面站。

「天問一號」的探測車目前還未公開名稱,這是著陸待機及放出探測車的想像圖。留意著陸器車身仍是玉兔的箱形設計,不過協且操作的光學鏡頭就採取了機遇號探測車潛望鏡設計。車身上白色的鏡頭,才是高倍率多光譜攝影鏡頭。(網絡圖片)

 

火星車採用的形式,外形有點像美國之前的勇氣號和機遇號火星探測車,但更大更重,比玉兔二號還重100公斤,且有更多太陽能電池板。整車基本上是玉兔二號的強化版,部分設備如探地雷達也是玉兔二號標準裝備的改良版本。無獨有偶的是,美國的毅力號也有探地雷達,這對於火星淺地層土壤結構、礦物含量及是否有水份,十分重要。另外火星車的任務也包括磁場探測等。至於一向的火星探測「顯學」-火星生物追尋,似乎不是「天問一號」的重點,當中只有火星表面化合物探測器和這個研究內容有關,看來還是要等中國航天的深空探測技術完全成熟,並等待工作環境更佳且可全天候操作的大型平台發展完成了。

由於今次是用一次任務來實踐三個之前未曾試過的願望,所以很多航天發燒友已指出只要完成一至兩個任務,便很心滿意足了。

準備裝入再入熱盾中的毅力號火星探測車。(網絡圖片)

 

美國:延綿十年的航天大計?

相對於中國的任務,美國的「毅力號」任務相對簡單得多:無論是美國還歐洲太空總處,其探火任務都有一個優勢,就是早已有環火軌道的中繼通訊及地點考察人造衛星,可為早期任務提供規劃及可靠的遠距控制能力、先期地形堪探及火星天氣預報。例如NASA的火星軌道偵察衛星 / MRO、MAVEN及歐洲的火星快車;而且美國今次只放下一架大型探測車,而降落已經是NASA駕輕就熟的玩意,問題基本不大。

右圖為「好奇號」科學平台再入火星大氣層的過程,當中動作設定可達1000條;左圖為使用鈈同位數熱電池(RTG,位於車的最後部)的好奇號自走科學實驗平台,能提供約125瓦的輸出,並為探測器提供了幾乎全天候的工作環境,而就算到30年後,仍至少能維持75瓦的輸出,而這已大大超越了平台的壽命。優秀組合性強的大型平台,可真是外太空探測的重要利器。(網絡圖片)

 

和前幾次火星衝期間的探測差不多,NASA已開始使用2000年代發展的火星探測系統平台,在添加新的探測系統下作為新的探測車,例如鳳凰號/ 洞察號探測平台(2007 / 2018),以及2011年的「火星科學實驗室計劃」的好奇號探測車,今次的毅力號其實也是與好奇號使用同一個平台,也是那種重型考察車,或者可視為大型的移動著陸器 / 科學平台。這個平台雖然達一噸,但由於使用鈈同位素熱電池作為動力,不需要使用太陽能電池板,也不會受火星氣候及日夜所影響,且能量供應更穩定,可以操作更多及需要更大能量供應的科學儀器。

火星直升機在火星表面起飛的CG圖,不過是否能飛到CG所示的高度,似乎有疑問......(網絡圖片)

毅力號火星探測車,其機械臂最特別之處,不但是採掘並收集泥石樣本的重要工具,本身更是兩個科研儀器-拉曼螢光光譜儀(SHERLOC,檢測指定目標的有機物情況)及 X射線岩石化學行星儀(PIXL,將挖得的樣本作即時元素 / 化合物成份分析)。(網絡圖片)

 

另外一個具特殊意義的任務載荷,是一架名為Ingenuity的直升機。這架1.8公斤的無人飛行器將會是火星第一架飛行的人類飛行載具。該飛行器每次充電可飛3-5分鐘(飛行高度約5米),為毅力號進行探路及搜索目標等工作。現在唯一的問題是:火星表面氣壓非常低,平均只有地球的0.5%。即使Ingenuity的螺旋槳是特別加闊的設計,可將更多空氣向下推並支持升力,但是否足夠讓飛行器穩定飛行,仍有一定疑問。若相關實驗成功,NASA在往後會有更多無人飛行器甚至氣球用於長距離火星探測上。

NASA工作人員把高規格消毒過的20個樣本採隻瓶放到毅力號上,收集好樣本後會等待2026年ESA的採樣返回火箭工作平台派出探測器前往收集,若計劃沒有差池,大約2031年才會回到地球。留意的是,那架ESA的探測車與2022年才發射的EXOMARS計劃火星探測車採用同一平台,其結構也和天問一號的巡視器相約。(網絡圖片)

 

相當特別的是,毅力號的研究並非單獨的,其會透過「接力」的方法進行火星土壤取樣返回任務:其擁有一台X火星岩石化學研究用的X射線線光譜分析儀,進行即場分析;然而,由於毅力號沒有任何返回設施,不能運回地球作進一步研究。然而美國太空總署將與歐洲太空總署合作,毅力號將會額外收集多200克的火星岩石樣本並放在指定地點,NASA將會於2026或2028年發射一個具返回式火箭的著陸器前往火星,然後由歐洲方面一架漫遊車收集之前毅力號遺下的200克樣本,著落器的機械臂隨即將樣本裝進火箭內。三個月後當歐洲發射的軌道器到達火星軌道後,返回式火箭就會發射,並由軌道器接收樣本,再在下一個火星衝的周期啟程返回地球,預計可於2031年抵達並將樣本連同再入熱盾一齊丟落地球,完成整個任務。

 

後記:

今次火星衝「大賽」,除慣常的監察任務,似乎還有另一共同目標:研究火星表土層結構及其物質構成與分層,其中一個重要目的當然是資源研究及尋找水冰的存在。事實上,類地行星大部分的水份都會保留在地底,保留在表面的相對少得多,以地球為例,只有大約8%的水份是保留在地表上,其餘的都滲入地殼與地幔並以水蒸氣/加壓水的形式存在,而在火星這些內核已凍結的行星上,則更可能以冰的形式存在。這些都對火星日後半永久工作站維生、火星返回的燃料提取,甚至更長遠的火星殖民 / 火星水耕甚至土耕作業都大有幫助。

發佈於 博評, 科學新知
By 2020-08-05

手機分享本文: