火星你好,大象旅游业背后

图片 1中国的火星车有望在2021年抵达火星。图片来源:scmp.com

(玛雅蓝/编译)这本该是泰国湄旺平凡的一天。但是,在这片紧邻旅游中心清迈的小小乡村的一个大象营里,大象管理员,或者说象夫们的心情却十分紧张。宋哉(Somjai),一头五吨重、牙齿一米长的巨兽,正陷入狂躁(musth)之中——这样的场合下它的睾丸酮水平和攻击行为都会大幅增加。

是的,你没看错!与你朝夕相伴的猫咪们,可以预警室内环境污染,成为监控你家里室内污染的好帮手!通过评估猫咪体内溴化阻燃剂等污染物的水平,就能了解这些污染物从哪里来,对我们有怎样的影响[1]。

嫦娥探月工程不断取得成功之际,越来越多的中国航天人和爱好者将目光投向火星。2013年印度火星探测器发射后,热心的中国航天爱好者更是望穿秋水,期待中国的火星探测器。2016年4月22日,国防科工局局长许达哲在就中国首个航天日举行的发布会上,宣布了火星探测任务正式立项的消息。按照计划,中国火星探测器使用“绕落巡”一体的设计,将在2020年7月发射,并于2021年抵达火星。

象夫们意识到宋哉攻击性太强,不宜载客,但是他们说象营主无视了他们的警告,而且还为它配备了一名陌生的象夫,他叫畿。为了让老板满意,他同意驾驭这头大象。

那么,“溴化阻燃剂污染”是什么回事,与猫咪们又有什么关系呢?

火星探测一路曲折

中国月球探测工程已经发射了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号和嫦娥五号T1总计4颗探测器,未来还将发射嫦娥五号取样返回探测器、月球背面着陆的嫦娥四号和地月L2轨道的中继星,不仅过去的成就举世瞩目,更有未来的锦绣前程。相比之下,中国火星探测工程今年才正式立项,未来更有很大的不确定性。两个工程看起来是两个阶段的事情,很少有人留意到,中国的火星探测和月球探测几乎是同时起步的。

探月工程正式启动于2004年,嫦娥一号发射升空则是2007年10月24日。而早在2005年11月,中俄两国总理定期会晤中就考虑制定联合双边太空探索计划,到2007年3月26日,两国签署联合探测火星和火卫一的合作协议。根据中俄两国的协议,俄罗斯将利用福布斯-土壤探测器空余的空间和运力,为中方搭载一颗火星探测器,这就是萤火一号的由来。

萤火一号火星探测器是中国航天少有的国际合作项目,选择借船出海而不是自力更生,是因为我们实在缺乏深空探测能力。举例来说,当年中国发射的距离地球最远的卫星是双星计划中的探测一号,由于火箭入轨控制问题,远地点比原计划高了一万多千米!要向距离地球最近也有5500万千米的火星发射探测器,长征火箭的导航制导控制系统恐怕暂时无法满足需求。

如果说火箭还可能改进满足需求的话,测控系统不足的问题就更大了。中国的航天测控网络当时只具备对地球轨道目标的测控能力,为了满足嫦娥一号月球探测器的测控任务,都要在喀什和青岛站各新建一座18米的统一S波段测控天线,还借用中科院的大型射电望远镜通过甚长基线干涉(VLBI)技术进行测控,从硬件到经验都不支持开展独立的火星探测。

深空探测作为纯科学性的领域,国际合作早已成为主流。前不久BBC采访探月和探火计划总师吴伟仁时,英国人不无恶意地评论,中国在合作日益增强的太空探测活动中被认为是一匹孤狼。这并非我们闭关锁国,而是被美国封锁的困境使然。中国航天始终欢迎国际合作,萤火一号项目的实施就是一个范例。国际合作的萤火一号项目,有助于中国弥补能力和经验的短板,多快好省地开展火星探测。合作对中国航天是有利和必要的,只可惜后来的发展可谓计划赶不上变化。

即便有俄国人交流帮忙,火星探测对中国航天来说仍然充满未知,无论是深冷温度环境的控制还是超低剩磁的控制,或是超远距离的测控和通信,都是不小的挑战。但上海航天八院研制萤火一号探测器陆续解决了这些技术难题,用23个月就完成了一般5年才能完成的研制任务。

遗憾的是我们的运气实在太差。由于俄罗斯方面研制进度滞后,福布斯-土壤探测器无法如期在2009年10月发射,发射日期只能推迟到大约26个月之后的下一次发射窗口。更糟糕的是,2011年11月9日福布斯-土壤探测器发射后,主发动机没能进行启动点火最后坠落太平洋,让萤火一号探测器也跟着出师未捷身先死。

图片 2福布斯-土壤探测器里的荧火一号探测器。图片来源:RUSSIAN ROSCOSMOC SPACE AGENCY

萤火一号的失败,虽然不是中国航天的原因,但仍给了中国火星探测当头一棒。在嫦娥一号探测器的成功和中国航天技术全方位进步的鼓舞下,2009年嫦娥一号总师叶培建等人曾雄心勃勃地表示,中国应该独立进行火星探测,他还表示独立火星探测的投资将少于嫦娥一号!如果萤火一号项目成功的话,后续独立火星探测项目的成功立项是很有把握的。

萤火一号之后独立的火星探测方案不断出炉,其中既有上海航天八院的萤火一号改进型方案,也有北京航天五院的嫦娥探测器改进方案。上海八院的方案中,火星探测器以萤火一号为主体,增加了推进巡航段,使探测器具备了独立飞向火星和进行制动进入火星轨道的能力,还增加了两个30-50千克的火星穿透撞击器用于研究火星地质构造。北京五院的方案更为大胆,他们以嫦娥一号平台为基础,更换用于火星探测的载荷,并增加了一个约50千克小型试验着陆器,将使用气动刹车辅助减速进行火星轨道,验证火星环绕探测和火星大气进入、下降和着陆的技术,总体水平上类似欧洲的火星快车。北京航天五院的论文中甚至初步选定了火星着陆的区域,并欢迎其他国家在中国火星探测器上开展合作。

北京和上海的方案并没有停留在纸面上,且不说上海成熟的萤火一号,北京五院也进行了大量的研究,突破了火星测控通信的轻型应答机和轻质量天线,以及深空导航制导技术,还进行了火星着陆技术的研究,实际开展了软着陆气囊原理样机的空投演示试验。根据航天部门的想法,早则2013年迟至2018年,发射火星探测器是都毫无问题的。火星探测不仅仅是个探测器,中国航天的运载火箭和测控网络都有了巨大的提高,探月工程中长征三号火箭不断改进提高制导精度,而喀什站35米、佳木斯站64米专用深空测控天线的建成,也让中国的深空测控能力有了飞跃性的进步。

遗憾的是,福布斯-土壤探测器两年的拖延和2011年的失败,无情地粉碎了这一切,让中国火星探测计划被打入冷宫。中国科学家并没有放弃独立开展火星探测的希望,2011年后仍然不断提出火星探测的倡议,但始终没有得到国家批准立项,只能眼睁睁地看着印度的曼加里安号火星探测器2013年发射成功并于2014年成功入轨。

或许是由于印度的成功,2013年中国航天火星探测的构想也有了较大的变化,从轨道器为主外加撞击器或是试验性着陆器,演进升级为轨道器、着陆器和巡视器三位一体的概念,预定发射时间为2018年。北京五院和上海八院先后提出各自的方案,其中五院的方案较为高大上,配备了较大的火星车,需要长征五号火箭发射,而八院的方案着陆器和火星车都较小,甚至可以使用现有的长征三号乙火箭发射。

尽管从技术上来说,火星探测对中国人已经不再遥远,但国家始终没有正式立项,火星探测26个月一个窗口的限制,意味着错过一次就要再等两年多,于是计划中2018年发射的火星探测绕落巡探测器,也只能推迟到2020年了。

旅游巴士来了,这一天如平常一样开始。急切的度假者接踵而至,有些人还带着自拍杆。他们两三人一组,爬上固定在象背上的金属椅子。大象被锁链连在一起,就像一辆有生命的火车,沿着环绕象营那条被走过千百遍的小路,走进丛林,走向河边。

图片 3好像听到有人在叫我?图片来自:123rf.com

风险和机遇并存

2016年1月11日,中国自主火星探测项目终于正式立项。根据目前公布的消息,中国的首个火星探测器将是一个空前复杂的环绕、着陆和巡视结合的项目,其复杂度不仅超过了美国在航天竞赛时代发射的水手号和海盗号探测器,也比欧空局的火星快车复杂得多,更不要说印度试验性的环绕探测器曼加里安了。

根据目前的报道,中国的火星探测器将在2020年7月使用长征五号大型运载火箭发射,轨道器携带着陆器经过地火轨道转移到达近火点附近进行减速制动,进入环绕火星的大椭圆轨道,随后轨道器根据火星大气的具体情况释放着陆器进行火星软着陆,着陆成功后火星车将在火星表面进行巡视探测,并通过轨道器的通信中继与地面控制站保持联系。

图片 4中国的2020年首次火星探测任务,将由轨道探测器、着陆器和巡视器构成。图片来源:Imaginechina/Splash News

图片 5泰国旅游网站上的骑象活动照片:游客二到三人一组,由象夫带领,坐在固定在大象背上的座椅上。图片来源:thailandholiday.info

阻燃剂是能够降低燃料的可燃性、延迟燃烧的物质的总称。溴化阻燃剂由于其阻燃性能好(耐高温,烧不起来),结构稳定(化学上不活泼)且价格低廉,曾经被广泛添加到装饰材料、塑料、家具、电子产品等产品中。以多溴二苯醚及其衍生物(polybrominated diphenylethers 以下简称PBDEs)为代表的含溴有机物是最常用的溴化阻燃剂。

火星探测难关重重

火星距离地球最近也有5500万千米,最远可达约4亿千米,这给火星探测活动带来了巨大的挑战。

无线电波经过漫长的距离,信号已经很弱了,需要更大更灵敏的天线进行接收。美国拥有3个深空站组成的深空测控网(DSN),天线直径最大可达70米;苏联的深空站无法像美国那样全球优化布置,但利用其国土东西宽的特点仍然建立了多个拥有大型天线的深空站;欧空局为了支持火星探测等深空探测活动,也全球优选地址建立了3个深空站,不过随着技术进步,它们使用的是较小的35米直径天线,性能也足以支持木星轨道甚至更远的测控。

中国为了支持未来的月球、小行星、火星和更遥远的深空探测任务,也建立了独立的深空测控网,目前由喀什站的35米S/X波段天线、佳木斯站的64米S/X/Ka波段天线和阿根廷内乌肯深空站的35米S/X波段天线组成,设计上支持10亿千米内的深空通信,完全足以满足火星探测任务的需求。

火星任务的测控难度也很高,由于距离太远,对火星探测器的测轨精度必然相应降低,因此需要新的技术方法更精确地测定探测器的轨道,才能保证探测器近火制动的准确性。简单举例,如果对38万千米外的月球轨道测轨精度是500米,那么对5500万千米外的火星误差就会达到约75千米,而近火点制动高度选在100千米的话,极端时会发生距离火星表面15千米高度制动的情况,导致探测器过热烧毁。同样,火星轨道器的环绕高度和火星车位置的测定,也都是摆在未来火星探测任务面前的拦路虎。

火星遥远的距离,不仅提高了火星探测任务测控的难度,通信时延的问题也相当突出。地球火星距离最远4亿千米,单程信号延迟23分钟。如果说月球探测中地面还能较为灵活地控制探测器的话,那么对于火星探测而言,就必须要求探测器具备自主管理和自主导航的能力。中国的火星探测器还要进行着陆和巡视探测,更提高了探测器自主执行任务的难度。火星大气进入、下降和着陆的过程中,地面不可能对着陆器遇到的意外做出反应,而火星车工作时,更是有可能面对长达46分钟的通讯时延。幸运的是,嫦娥三号和玉兔号月球车在自主着陆和巡视上,已经作出了一定的探索,减轻了火星探测器的研制压力。

报道称,宋哉就是在这时候发狂的。它把畿推倒在地,用象牙刺穿了他的脖子和肩部,然后把他踩在脚下。随后,它驮着三个中国游客跑进丛林,那是一家三口,一对父母带着一个孩子,仍然被固定在象背上的座椅里。畿躺在地上血流不止,其他象夫追回了宋哉,设法把它和吓坏了的游客毫发无伤地带回了象营。但畿最终不治身亡,留下没有经济来源的绝望的妻子和两个幼小的孩子。

虽然PBDEs为减少火灾的危害立下汗马功劳,但它们对环境与生物体的潜在毒害性也不能被忽视。由于PBDEs一般并没有与制造材料紧密结合,仅是作为涂层附着在表面,所以会随时间的推移从材料上剥落,伴随尘埃与颗粒物一起逐渐散播到环境中。一方面, PBDEs结构稳定,能够随颗粒物四处扩散,因此在全世界的自然水体、土壤乃至空气均能发现其踪迹[2]。另一方面,由于PBDEs对脂肪的高亲和性,导致它很容易进入小鱼吃小虾、大鱼吃小鱼的食物链传递中,并最终进入人体并累积在身体内。

着陆带来新困难

火星探测的风险很高,而中国的首次火星探测器使用复杂的绕落巡设计,更是提高了任务失败的可能。火星绕落巡的方案属于中国首创,以前还没有一个国家在一次火星探测任务中,同时实现环绕和着陆巡视探测。虽然环绕、着陆和巡视合一的设计有利于使用有限的经费获得更多的成果,但也带来了更大的难度和复杂度。这次火星探测项目要在工程上获得圆满成功,需要中国航天的工程师和中科院的科学家付出更多的努力。

传统火星探测的固有难度自不待言,中国首次火星探测任务增加了着陆和巡视探测,其中最困难的部分就是穿越火星大气的下降和着陆过程。由于距离遥远,这个过程地面根本无法实时控制,只能由着陆器完全自主完成。美国的好奇号火星车就将这个过程称为“恐怖7分钟”。火星着陆的难度很高,即使全世界开展了那么多次火星探测,除了美国技术一骑绝尘火星降落轻车路熟外,目前最好成绩就是苏联曾做到的火星软着陆成功并生存15秒了。

好奇号登陆火星所经历的恐怖7分钟。中国的首次火星任务也将尝试登陆火星,只是着陆方式有所区别。视频来源:NASA/JPL

火星探测器总设计师孙泽州接受采访时也表示,他最担忧的就是火星极为不确定的大气情况。中国尚未开展火星探测,虽然有国外公开的论文和数据,但对火星大气密度和组成、火星大气变化规律和火星风暴特征等因素仍然缺乏深入了解,实现成功降落的难度可想而知。中国的嫦娥三号成功实现了月球软着陆,但月球和火星软着陆有着巨大的区别,也与载人飞船或是返回式卫星的地球软着陆大相径庭。

根据现有的采访报道,中国的火星探测器着陆登陆火星需要经过四个阶段:热盾气动外形减速、超音速降落伞减速、反推发动机工作减速和着陆腿缓冲吸能。这与美国近些年的火星着陆探测有明显区别,倒是与最早的海盗号着陆器非常相似。火星着陆的前两个阶段,由于火星重力和大气与地球不同,很难在地面模拟;后两个阶段与嫦娥三号的月面软着陆相似,但也仅仅是相似。着陆器的整个着陆过程无法在地球环境下进行完整的模拟,只能针对各个阶段进行单项模拟,加上我们对火星大气认识有限,着陆成功的难度和压力都很大。

简单地说,火星是一颗质量较大拥有稀薄大气层的行星,这是火星软着陆最大的麻烦所在。由于火星环绕速度大又存在大气层,火星软着陆无法像月球软着陆那样不考虑防热,也就是必须考虑气动外形的因素,一般都要专门设计热盾外形,这与地球软着陆较为相似;火星大气又非常稀薄,减速效率远不如地球大气层,地球上飞船和返回式卫星都使用亚音速下打开的降落伞即可,而火星着陆器使用的都是超音速降落伞,而且为了保证安全基本都选择低海拔地区着陆。

不仅如此,火星大气环境也相当复杂,尤其是不时出现的风暴更是增加了着陆的难度。苏联的火星二号探测器的着陆器就是一头扎进火星的沙尘暴里,结果导致着陆失败。中国的首颗火星探测器进入火星轨道后再施放着陆器,也算是总体方案激进的大背景下,细节上借鉴海盗号和火星二号的经验教训偏向保守的设计。

第二天,骑象活动仍然照常进行。附近一个生态度假村的志愿者目击了事件过程及其后续,他们称,旅游公司和象营所有者都没有受到任何刑事指控。其他的象夫也并没有得到休假来哀悼畿,甚至无法出席工友的佛教葬礼。这场葬礼甚至还被一群拿着相机的游客打断了。

生态毒理实验显示,部分PBDEs会对实验动物的肝脏、神经、免疫、内分泌系统等造成损害[3],对人体很可能有类似的毒害作用。为减轻PBDEs可能造成的环境毒害性,联合国环境规划署已将部分的PBDEs列入控制持久性有机污染物国际公约——《斯德哥尔摩公约》的管控范围。

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