火星的下一次大型沙尘暴将在何时？天问一号能否挺住？

　　综合编译： 杨承霖
　　校对：牧夫天文校对组
　　后期：胡永葳
　　责任编辑：毛明远、王启儒
　　我们已经目睹了火星上的几次全球沙尘暴。1971年，水手9号航天器抵达火星，发现火星被尘埃笼罩。从那时起，科学家在1977年、1982年、1994年、2001年、2007年和2018年都监测到了大型火星风暴。
　　亚利桑那州Aeolis研究公司的行星科学家克莱尔-纽曼指出：＂全球沙尘暴平均每十个火星年会发生三次。＂
　　旅居者号：短命夭折
　　旅居者火星车与火星表面岩石 Credits：NASA
　　沙尘暴已经对被派去探索这颗红色星球的航天器（包括火星车）造成了损失。1997年，美国宇航局的第一个火星车旅居者号便由于灰尘沉积在太阳能电池板上，致使它每个火星日损失大约0.25%的太阳能输出。任务结束时，旅居者号共行驶了100多米，历时83个火星日。旅居者号在沙尘方面的经历让人们对机遇号和勇气号的任务期都不抱太大期望，美国宇航局只为每辆火星车规划了90天的任务。
　　机遇号：被动清理
　　天气晴朗期间，每隔一段时间，火星车的太阳能电池阵列输出就会恢复：由太阳能加热驱动的对流上升气流可以清除火星车太阳能电池板上的灰尘，使机遇号能够在火星上持续工作。
　　2007年火星沙尘暴是机遇号遇到的最大挑战之一，其间机遇号火星车的太阳能板被厚厚的沙尘覆盖。
　　机遇号自拍照 Credits：NASA
　　在2007年6月末，一连串的沙尘暴开始垄罩火星的大气层。到7月20日，火星大气中的沙子屏蔽了99%的阳光。
　　在正常情况下太阳能发电板每天能够产生每小时700瓦的能量。在沙尘暴中，发电能力大幅降低。倘若火星车每天产生的电力少于每小时150瓦，将会耗尽电池电力，关键的电子仪器可能会因为极度的寒冷而失效。在2007年7月18日，火星车的太阳能电力只能产生每小时128瓦的电力，是任务史上的最低点。美国宇航局不得不将通讯频率降至三天一次，这样的状况是机遇号任务史上的第一次。
　　这个沙尘暴持续到7月底时，美国宇航局宣布：即使在低耗电模式下，火星车也几乎不能获得足够的能量来维持任务。如果机遇号的电子模块温度持续下降，它有很大的风险会经历一段低电力的故障。当低电力的故障发生时，火星车的系统会将停机，进入休眠并在每个任务日检测是否有足够的光能使其苏醒并恢复通信。如果没有足够的能量，机遇号将会持续休眠。根据天气状况，机遇号可以睡上数天、数周或甚至于数月之久，一切都看它是否能获得足够的光线来尝试让它的电池充电。就当时的状况来看，机遇号有相当大的可能性再也不会从低电力故障中醒过来。
　　到了2007年8月7日，沙尘暴终于有减弱的迹象，而且尽管发电仍然偏低，还是足够让机遇号开始拍摄并传回照片。到了8月21日，车上的电池已能充满电，让它可以进行沙尘暴后的第一次行驶。机遇号幸存地＂熬过了＂这一次尘暴，但在2018年它就不那么幸运了… 当年6月10日，机遇号已经在火星子午线地区45公里的范围内探索了15年，美国宇航局正式宣告机遇号探测任务结束了。
　　洞察号：撒沙
　　洞察号回传影像  Credit：NASA
　　约翰霍普金斯应用物理实验室的一名行星科学家建议在太阳能电池板上用机械臂撒一些沙子--其想法是：沙子比灰尘更容易被风吹动，也许它可以擦掉一些灰尘。这个想法认为被风吹起的沙子充当了将灰尘从火星表面扬起的媒介。这也解释了为什么尽管在稀薄的火星大气层中风速很低，灰尘仍然可以被扬起。
　　2021年秋天，火星正在接近远日点，那时不仅可用的光照处于最低点，而且较低的温度意味着洞察号每天需要更多的能量来为电加热器供电，以防止严重的电池等组件过冷。
　　洞察号采集 火星表面样本  Credit：NASA
　　雪上加霜的是，不断堆积的灰尘降低了太阳能电池板的效率。2021年5月22日，美国宇航局尝试了＂撒沙 ＂。图像显示，一些沙粒如预期般落在着陆器甲板上——在太阳能电池板去除灰尘，划出了一条暗带。太阳能电池板的电流瞬间跃升4%。这听起来不大可能，但这一增长使洞察号能够在随后的几个月里继续进行地震研究，并收集到了在火星上最大地震的数据。
　　然而，沙尘擦拭并不能避免再次沉积：今年1月份，一场沙尘暴导致电力下降，迫使着陆器在仪器关闭的情况下以＂安全模式＂休眠几周。目前洞察号已重新上线，但它还能持续多久还有待观察。
　　好奇号：核动力驱动
　　2012年8月6日，新一代火星车好奇号着陆火星。2018年尘暴时，美国宇航局好奇号火星车在很大程度上没有受到尘埃的影响，甚至还记录下了大气中尘埃的变化情况。
　　‍‍‍‍‍‍‍ 荒凉的火星表面  Credit：NASA
　　2018年为什么机遇号在全球沙尘暴中遭遇故障结束任务，而好奇号却在沙尘暴中幸存？机遇号是由太阳能驱动的，而灰尘遮住了太阳。可能还有其他原因，因为没有一个火星车能永存，但太阳能的缺乏肯定起到了一定的作用。但是好奇号是一个核动力机器，它的动力来源并不依赖于阳光。
　　天问一号
　　天问一号总体设计和洞察号、机遇号一样，以太阳能为供电来源，因此面临相同的问题。
　　据811所火星车太阳电池设计师王文强介绍，他们在太阳电池玻璃盖片表面做了特殊涂层，让太阳电池阵列的表面不易沾染灰尘，即便沾染上了灰尘，也可通过振动将其抖落。
　　为了增强能源获取能力，提高火星车在火星上的生存能力，天问一号创新性地使用最大功率跟踪（MPPT）技术，这也是该技术在国内航天领域的首次在轨应用。811所火星车电源控制器设计师陈达兴告知，＂跟踪精度高达98%，相比传统电路，提高了太阳能电池20%的利用效率，既解决了火星车能源紧张问题，也减少太阳电池阵面积的同时减轻供电部件的重量。＂
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