即將迎來(lái)日凌挑戰(zhàn)，與地球失聯(lián)

祝融號(hào)如何平安度過(guò)悠長(zhǎng)“假期”

太陽(yáng)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(yáng)、地球同一直線(xiàn)時(shí)，太陽(yáng)發(fā)出的強(qiáng)大電磁波便會(huì)將天體發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)淹沒(méi)，使得地球無(wú)法與其進(jìn)行準(zhǔn)確通信，從而造成暫時(shí)性失聯(lián)。

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(lái)有些聳人聽(tīng)聞的消息，實(shí)則確有其事。大約自9月中下旬開(kāi)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(cè)器都將陸續(xù)與地球失聯(lián)。

但出現(xiàn)問(wèn)題的并非是探測(cè)器，而是火星即將和地球玩起“捉迷藏”的游戲——它將躲在太陽(yáng)身后一個(gè)多月，對(duì)地球避而不見(jiàn)。當(dāng)然，大家大可不必為此擔(dān)心，科學(xué)家對(duì)此早有準(zhǔn)備。

失聯(lián)的“禍?zhǔn)?rdquo;是日凌

在科幻小說(shuō)《三體》的開(kāi)篇中有這樣一個(gè)情節(jié)，主人公葉文潔將太陽(yáng)當(dāng)作巨型無(wú)線(xiàn)電信號(hào)放大器，把地球信號(hào)傳向了宇宙深處，最終引來(lái)了“三體人”。雖然只是科幻故事，但太陽(yáng)的確每時(shí)每刻都在發(fā)射電磁波，傳輸著“信號(hào)”。

太陽(yáng)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(xiàn)、X射線(xiàn)波段，到長(zhǎng)波的無(wú)線(xiàn)電波段，太陽(yáng)都兼容并包。因此，當(dāng)有天體運(yùn)行至與太陽(yáng)、地球同一直線(xiàn)時(shí)，這種情況通常被稱(chēng)為日凌。此時(shí)，太陽(yáng)發(fā)出的強(qiáng)大電磁波便會(huì)將天體發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)淹沒(méi)，使得地球無(wú)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(yáng)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(yáng)、地球、火星三者便會(huì)運(yùn)行至同一條直線(xiàn)。尤其是當(dāng)火星運(yùn)行至太陽(yáng)身后，與地球分置于太陽(yáng)兩側(cè)時(shí)，便會(huì)造成顯著的日凌影響。

天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫澤洲解釋道，太陽(yáng)自身龐大的體積不僅會(huì)遮擋火星探測(cè)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(wú)法在龐雜的背景噪音中準(zhǔn)確分辨出火星探測(cè)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(yáng)電磁波所覆蓋，無(wú)法準(zhǔn)確到達(dá)，致使兩者之間的有效通信被迫中斷。“上行無(wú)法進(jìn)行控制，下行數(shù)據(jù)也很難有效接收。”孫澤洲還補(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(duì)火星探測(cè)器造成影響，其對(duì)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(yáng)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(yáng)、衛(wèi)星、地球形成一條直線(xiàn)，太陽(yáng)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(huà)面出現(xiàn)“雪花”的現(xiàn)象。今年2月，國(guó)家廣播電視總局便發(fā)布了2021年全國(guó)主要城市春季衛(wèi)星日凌時(shí)間預(yù)告，稱(chēng)在2月25日至3月17日期間，用于我國(guó)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(zhǎng)假”

日凌導(dǎo)致火星探測(cè)器失聯(lián)，雖然聽(tīng)起來(lái)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(chē)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(guò)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)?；鹦擒?chē)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(chē)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)。“這個(gè)過(guò)程中對(duì)于探測(cè)器自主性的要求可能會(huì)很高，因?yàn)樵谝粋€(gè)月甚至更長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)，需要它們完全自主運(yùn)行。”孫澤洲說(shuō)，“我還是比較放心的，相信兩器可以平穩(wěn)度過(guò)日凌。”

這種自信很大程度上來(lái)源于在過(guò)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)。“過(guò)去的這段時(shí)間里，我們已經(jīng)對(duì)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。”孫澤洲還提道，在日凌期間，兩器自身的工作內(nèi)容會(huì)較往常開(kāi)展科學(xué)活動(dòng)時(shí)更為簡(jiǎn)單，有助于其在長(zhǎng)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(guò)對(duì)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(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)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)。“針對(duì)自主運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題，我們都進(jìn)行了提前設(shè)計(jì)，并且在地面進(jìn)行過(guò)多次測(cè)試，基本不用擔(dān)心。”此外，崔曉峰也提道，失聯(lián)并非完全沒(méi)有信號(hào)，“三者完全在一條直線(xiàn)上時(shí)，可能就沒(méi)信號(hào)。但如果不是完全的一條直線(xiàn)，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(duì)兩器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。”

無(wú)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(zhǎng)假”結(jié)束后，它們也將開(kāi)啟新的火星探測(cè)階段。

中繼衛(wèi)星或可“破解”日凌困擾

日凌可以說(shuō)是航天活動(dòng)中的“?？?rdquo;。除了此前提到的對(duì)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(cè)時(shí)，便曾遭遇過(guò)短暫的日凌干擾。但憑借青島地面測(cè)控站18米口徑的巨大天線(xiàn)，地面控制中心成功在日凌期間對(duì)嫦娥一號(hào)實(shí)施了全程監(jiān)測(cè)，沒(méi)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(guó)歷次航天活動(dòng)中遭遇的時(shí)間較長(zhǎng)的一次，時(shí)間越長(zhǎng)，潛在影響就越大。”

未來(lái)深空探測(cè)的距離將越來(lái)越遠(yuǎn)，日凌真的無(wú)解嗎?中繼衛(wèi)星或許是一個(gè)可供參考的選項(xiàng)。日凌對(duì)航天器通信造成影響的根本原因在于，當(dāng)太陽(yáng)、航天器、地球三者幾乎完全處于同一條直線(xiàn)時(shí)，航天器與地球間的通訊信號(hào)無(wú)法躲開(kāi)太陽(yáng)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(wèn)題。將其部署在遠(yuǎn)離太陽(yáng)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(guò)太陽(yáng)抵達(dá)對(duì)方。

類(lèi)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(wú)法與地球通信的問(wèn)題，我國(guó)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(wèn)一號(hào)火星探測(cè)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(wú)法避免日凌影響。

隨著未來(lái)深空探測(cè)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(cè)、周密準(zhǔn)備、精準(zhǔn)實(shí)施，完全不用過(guò)分擔(dān)心日凌的影響”。

關(guān)鍵詞： 中繼衛(wèi)星 日凌困擾 失聯(lián) 祝融號(hào)