即將迎來日凌挑戰(zhàn),與地球失聯(lián)
祝融號(hào)如何平安度過悠長“假期”
太陽不僅是一個(gè)巨大的“火球”,也是一臺(tái)巨大的噪聲制造機(jī)。當(dāng)有天體運(yùn)行至與太陽、地球同一直線時(shí),太陽發(fā)出的強(qiáng)大電磁波便會(huì)將天體發(fā)出的無線電信號(hào)淹沒,使得地球無法與其進(jìn)行準(zhǔn)確通信,從而造成暫時(shí)性失聯(lián)。
◎?qū)嵙?xí)記者 都 芃
剛剛慶祝完祝融號(hào)登陸火星百日,9月它就要失聯(lián)了?這則看起來有些聳人聽聞的消息,實(shí)則確有其事。大約自9月中下旬開始,包括祝融號(hào)、“好奇”號(hào)、“毅力”號(hào)等在內(nèi)的眾多火星探測器都將陸續(xù)與地球失聯(lián)。
但出現(xiàn)問題的并非是探測器,而是火星即將和地球玩起“捉迷藏”的游戲——它將躲在太陽身后一個(gè)多月,對地球避而不見。當(dāng)然,大家大可不必為此擔(dān)心,科學(xué)家對此早有準(zhǔn)備。
失聯(lián)的“禍?zhǔn)住笔侨樟?/strong>
在科幻小說《三體》的開篇中有這樣一個(gè)情節(jié),主人公葉文潔將太陽當(dāng)作巨型無線電信號(hào)放大器,把地球信號(hào)傳向了宇宙深處,最終引來了“三體人”。雖然只是科幻故事,但太陽的確每時(shí)每刻都在發(fā)射電磁波,傳輸著“信號(hào)”。
太陽不僅是一個(gè)巨大的“火球”,也是一臺(tái)巨大的噪聲制造機(jī)。它發(fā)出的電磁波涵蓋范圍廣,從短波的γ射線、X射線波段,到長波的無線電波段,太陽都兼容并包。因此,當(dāng)有天體運(yùn)行至與太陽、地球同一直線時(shí),這種情況通常被稱為日凌。此時(shí),太陽發(fā)出的強(qiáng)大電磁波便會(huì)將天體發(fā)出的無線電信號(hào)淹沒,使得地球無法與其進(jìn)行準(zhǔn)確通信,從而造成暫時(shí)性失聯(lián)。
此次導(dǎo)致祝融號(hào)以及環(huán)繞器失聯(lián)的原因便是如此。以太陽為中心,地球公轉(zhuǎn)軌道在內(nèi),火星公轉(zhuǎn)軌道在外,形成兩個(gè)同心圓。而火星公轉(zhuǎn)周期與地球不同,約為687天,因此每隔一段時(shí)間,太陽、地球、火星三者便會(huì)運(yùn)行至同一條直線。尤其是當(dāng)火星運(yùn)行至太陽身后,與地球分置于太陽兩側(cè)時(shí),便會(huì)造成顯著的日凌影響。
天問一號(hào)探測器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫澤洲解釋道,太陽自身龐大的體積不僅會(huì)遮擋火星探測器發(fā)出的信號(hào),其產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁干擾也會(huì)使得地球無法在龐雜的背景噪音中準(zhǔn)確分辨出火星探測器的信號(hào),從而造成信號(hào)接收困難。同時(shí),地球上傳至火星的信號(hào)也會(huì)被太陽電磁波所覆蓋,無法準(zhǔn)確到達(dá),致使兩者之間的有效通信被迫中斷!吧闲袩o法進(jìn)行控制,下行數(shù)據(jù)也很難有效接收!睂O澤洲還補(bǔ)充道,此時(shí)恰巧火星與地球之間距離也達(dá)到了最遠(yuǎn)的3.95億公里。
日凌不僅會(huì)對火星探測器造成影響,其對人們?nèi)粘I畹挠绊懸矔r(shí)有發(fā)生。每年春分、秋分時(shí)節(jié),太陽直射赤道,而靜止軌道衛(wèi)星也多運(yùn)行在赤道上空。此時(shí),太陽、衛(wèi)星、地球形成一條直線,太陽所發(fā)出的電磁波干擾便會(huì)影響地球?qū)πl(wèi)星信號(hào)的接收。例如每年春分、秋分前后,世界各地時(shí)常會(huì)出現(xiàn)電視轉(zhuǎn)播信號(hào)不穩(wěn)定、電視畫面出現(xiàn)“雪花”的現(xiàn)象。今年2月,國家廣播電視總局便發(fā)布了2021年全國主要城市春季衛(wèi)星日凌時(shí)間預(yù)告,稱在2月25日至3月17日期間,用于我國廣播電視節(jié)目傳輸?shù)闹行?A、亞太5C等衛(wèi)星進(jìn)入日凌期,影響包括北京、上海、杭州在內(nèi)的多座城市電視信號(hào)的接收,持續(xù)時(shí)間從幾分鐘至十幾分鐘不等。
給祝融號(hào)放個(gè)“長假”
日凌導(dǎo)致火星探測器失聯(lián),雖然聽起來可怕,但祝融號(hào)及其環(huán)繞器早已做好充分準(zhǔn)備。
孫澤洲介紹,在日凌期間,祝融號(hào)火星車與環(huán)繞器將暫停所有科學(xué)活動(dòng),轉(zhuǎn)入安全模式,靜靜等待日凌過去。但他強(qiáng)調(diào),安全模式并不意味著完全停止工作。人睡著后,雖然停止了活動(dòng),但仍然需要維持身體各項(xiàng)機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。火星車與環(huán)繞器也是如此,如環(huán)繞器需要依靠自主控制保持自身的飛行狀態(tài),祝融號(hào)火星車也要持續(xù)獲取能量和進(jìn)行溫度控制等,以保證在日凌結(jié)束后能夠迅速恢復(fù)工作狀態(tài)!斑@個(gè)過程中對于探測器自主性的要求可能會(huì)很高,因?yàn)樵谝粋(gè)月甚至更長一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi),需要它們完全自主運(yùn)行!睂O澤洲說,“我還是比較放心的,相信兩器可以平穩(wěn)度過日凌!
這種自信很大程度上來源于在過去的一百余天內(nèi),祝融號(hào)及其環(huán)繞器優(yōu)異的工作狀態(tài)!斑^去的這段時(shí)間里,我們已經(jīng)對兩器各個(gè)系統(tǒng)硬件、軟件的運(yùn)行狀態(tài)有了一個(gè)全面確認(rèn),心里有底!睂O澤洲還提道,在日凌期間,兩器自身的工作內(nèi)容會(huì)較往常開展科學(xué)活動(dòng)時(shí)更為簡單,有助于其在長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定,“這實(shí)際上是處于一種靜止等待狀態(tài)”。
支撐這種信心的另一方面原因,是完備的前期準(zhǔn)備工作。北京航天飛行控制中心責(zé)任總師崔曉峰提道,通過對火星公轉(zhuǎn)周期、公轉(zhuǎn)軌道等數(shù)據(jù)的精確計(jì)算,早在研制階段,相關(guān)團(tuán)隊(duì)便已準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了此次日凌的發(fā)生時(shí)間,并進(jìn)行了相應(yīng)準(zhǔn)備。例如,除提前設(shè)置好相關(guān)程序外,在進(jìn)入安全模式后,祝融號(hào)及環(huán)繞器還將定期進(jìn)行自我“體檢”,即故障自主檢測,發(fā)現(xiàn)問題后還可進(jìn)行故障處理、故障重構(gòu)等,以保證自身狀態(tài)平穩(wěn)!搬槍ψ灾鬟\(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的一些問題,我們都進(jìn)行了提前設(shè)計(jì),并且在地面進(jìn)行過多次測試,基本不用擔(dān)心!贝送猓迺苑逡蔡岬,失聯(lián)并非完全沒有信號(hào),“三者完全在一條直線上時(shí),可能就沒信號(hào)。但如果不是完全的一條直線,可能會(huì)斷斷續(xù)續(xù)有一點(diǎn)信號(hào),我們也會(huì)利用非常稀有的信號(hào)對兩器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測!
無論面臨什么情況,祝融號(hào)與環(huán)繞器都已做好充分準(zhǔn)備。等待日凌“長假”結(jié)束后,它們也將開啟新的火星探測階段。
中繼衛(wèi)星或可“破解”日凌困擾
日凌可以說是航天活動(dòng)中的“?汀。除了此前提到的對赤道上空地球靜止軌道衛(wèi)星造成的影響外,載人航天、探月工程等航天活動(dòng)也多次受到日凌影響。如2007年11月,嫦娥一號(hào)進(jìn)行繞月探測時(shí),便曾遭遇過短暫的日凌干擾。但憑借青島地面測控站18米口徑的巨大天線,地面控制中心成功在日凌期間對嫦娥一號(hào)實(shí)施了全程監(jiān)測,沒有發(fā)生丟幀與亂碼等情況。
但與鄰近的月球相比,當(dāng)遠(yuǎn)在3.95億公里外的火星遭遇日凌時(shí),現(xiàn)有通信手段所能起到的作用微乎其微。崔曉峰也指出:“這次日凌是我國歷次航天活動(dòng)中遭遇的時(shí)間較長的一次,時(shí)間越長,潛在影響就越大!
未來深空探測的距離將越來越遠(yuǎn),日凌真的無解嗎?中繼衛(wèi)星或許是一個(gè)可供參考的選項(xiàng)。日凌對航天器通信造成影響的根本原因在于,當(dāng)太陽、航天器、地球三者幾乎完全處于同一條直線時(shí),航天器與地球間的通訊信號(hào)無法躲開太陽的電磁干擾而到達(dá)彼此,但中繼衛(wèi)星或許可以解決這個(gè)問題。將其部署在遠(yuǎn)離太陽電磁輻射的位置,充當(dāng)航天器與地球之間的“信使”,便可以使信號(hào)繞過太陽抵達(dá)對方。
類似的設(shè)想其實(shí)早在嫦娥四號(hào)登陸月背時(shí)便已實(shí)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)為了解決嫦娥四號(hào)在月球背面無法與地球通信的問題,我國提前發(fā)射了鵲橋中繼星至拉格朗日L2點(diǎn)——在月背和地球都可以看得到的位置,充當(dāng)?shù)卦麻g的“傳聲筒”,使得嫦娥四號(hào)可以與地球進(jìn)行間接通信。而此次天問一號(hào)火星探測任務(wù)中的環(huán)繞器,也同樣擔(dān)負(fù)了數(shù)據(jù)中繼的任務(wù),但由于環(huán)繞器仍屬于繞火飛行,因此同樣無法避免日凌影響。
隨著未來深空探測走向更遠(yuǎn)更深,中繼衛(wèi)星或許有可能成為有效避免日凌影響的重要工具。但崔曉峰也認(rèn)為,在目前階段日凌所造成的影響完全可控,“只要做到精確預(yù)測、周密準(zhǔn)備、精準(zhǔn)實(shí)施,完全不用過分擔(dān)心日凌的影響”。