在 7 月下旬至 8 月上旬期間,中、美、阿聯(lián)酋均會(huì)發(fā)射各自火星探測器。我國首次發(fā)射第一個(gè)火星探測器天問一號(hào),率先在世界實(shí)現(xiàn)通過一次發(fā)射完成 “繞、著、巡”三項(xiàng)任務(wù)的壯舉。
2020 年是火星探測器的發(fā)射窗口。為此,僅在 7 月下旬至 8 月上旬期間,中、美、阿聯(lián)酋均會(huì)發(fā)射各自的火星探測器。其中我國首次發(fā)射第一個(gè)火星探測器天問一號(hào),率先在世界實(shí)現(xiàn)通過一次發(fā)射完成 “繞、著、巡”三項(xiàng)任務(wù)的壯舉;美國將發(fā)射新型火星車毅力號(hào),它攜帶有新穎的機(jī)智號(hào)火星直升機(jī);阿聯(lián)酋首個(gè)火星探測器希望號(hào)用日本火箭發(fā)射,它是世界上第一顆火星氣象衛(wèi)星。這 3 個(gè)探測器的升空,將掀起全球火星探測熱潮。
其實(shí),這并不是世界各國第一次競相向火星進(jìn)發(fā)?;鹦蔷烤褂惺裁?“寶藏”,使它成為各國太空探測活動(dòng)的 “兵家必爭之地”?去過火星的太空旅者們都發(fā)現(xiàn)了什么?火星還有哪些可能的驚喜亟待人類發(fā)掘?
漫漫探火路
人類的火星探測起步于 20 世紀(jì) 60 年代,到今年 6 月底,全球共實(shí)施了 44 次探火活動(dòng),其中美國 21 次,蘇俄 19 次,日本 1 次,歐洲 2 次,印度 1 次。完全成功或部分成功 23 次,成功率約 53%。完全成功的 19 次,成功率約 43%。探測火星十分不易,主要原因是火星距地球遙遠(yuǎn),環(huán)境復(fù)雜。
迄今,成功登陸火星的探測器有 8 個(gè):海盜一號(hào)、二號(hào)、“探路者”、機(jī)遇號(hào)、勇氣號(hào)、鳳凰號(hào)、好奇號(hào)、洞察號(hào),它們都是美國研制的。嚴(yán)格地講,第一個(gè)在火星著陸的是蘇聯(lián)的火星三號(hào),但它只工作了 20 秒。目前工作的軌道器有 6 個(gè),著陸巡視器有 2 個(gè),其中的軌道器是:美國的 “火星奧德賽”、“火星勘測軌道器”、“火星大氣與揮發(fā)物演變”,歐洲的 “火星快車”和 “微量氣體軌道器”,印度的 “曼加里安”;其中的著陸巡視器是:美國的好奇號(hào)火星車和洞察號(hào)著陸器。
海盜二號(hào)著陸艙拍攝的火星表面
由于政治、科技、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等原因所致,探火和探月很相似,可分為以下三個(gè)發(fā)展階段。
1960—1975 年為第一階段,是探火的第一次熱潮,共進(jìn)行了 23 次發(fā)射。美蘇主要是為了政治目的,在包括火星探測在內(nèi)的許多航天領(lǐng)域開展了激烈的爭霸活動(dòng),以顯示各自的航天實(shí)力。但在這一階段也取得了不少探火成果。
1976—1990 年為第二階段,火星探測進(jìn)入低潮期,只有蘇聯(lián)進(jìn)行了 2 次火星探測器的發(fā)射,還都失敗了。這是由于美蘇競爭戰(zhàn)略重點(diǎn)轉(zhuǎn)移,美國大力發(fā)展航天飛機(jī),蘇聯(lián)則大力發(fā)展空間站。
20 世紀(jì) 90 年代至今為第三階段,是探火的第二次熱潮,共進(jìn)行了 19 次發(fā)射。這次探火高潮與第一次高潮不同,主要是為了科學(xué)和工程目的,即以發(fā)展新技術(shù)和獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)為主,從而催生了又一個(gè)火星探測的高潮期。尤其是美國實(shí)施了龐大的 “火星生命計(jì)劃”,發(fā)射了不少新型火星探測器,成就斐然。另外,歐洲航天局、印度也成功探測了火星,打破了美蘇對(duì)探火的壟斷。而且,這一階段的火星探測成功率大為增加,21 世紀(jì)發(fā)射的火星探測器都取得了成功或部分成功。
數(shù)十年的火星探測之爭
在 20 世紀(jì),主要由于政治原因,蘇美在火星探測領(lǐng)域開展了火爆的競賽,結(jié)果,美國技高一籌,探火的成功率明顯高于蘇聯(lián)。
蘇聯(lián)火星三號(hào)火星探測器模型
近三十年間,蘇聯(lián)先后向火星發(fā)射過數(shù)次探測設(shè)施,大多會(huì)同時(shí)或連續(xù)發(fā)射多個(gè),但大部分都失敗了。只有寥寥幾個(gè)成功著陸,也僅傳回少量數(shù)據(jù)。其中火星三號(hào)著陸艙在火星表面實(shí)現(xiàn)了軟著陸,雖然僅發(fā)送回地球 20 秒鐘的電視信號(hào),但它是第一個(gè)到達(dá)火星表面的探測器。火星五號(hào)則是蘇聯(lián)首個(gè)進(jìn)入火星軌道的探測器,并發(fā)回火星照片;火星六號(hào)在著陸過程中對(duì)火星大氣進(jìn)行了觀測,發(fā)回了火星大氣參數(shù)。
除 “火星”系列外,探測器 - 2 和宇宙 - 419 火星探測器也是由蘇聯(lián)發(fā)射的,無一不以失敗告終。1988 年,蘇聯(lián)又相繼發(fā)射了火衛(wèi)一號(hào)、二號(hào)探測器,擬探測火星的衛(wèi)星,但也都失敗了,未能傳回科學(xué)數(shù)據(jù)。1996 年,俄羅斯發(fā)射火星 - 96 時(shí)則 “箭毀器亡”。
俄羅斯火星 - 96 探測器
而在一時(shí)期,美國向火星發(fā)射了 6 個(gè) “水手”系列探測器,其中有 4 個(gè)成功,尤其是水手四號(hào)從離火星約 1 萬千米的地方掠過,第一次對(duì)火星作了近距離考察,探測到火星的大氣密度不足地球的 1%,傳回了 21 張火星近距離的照片;水手九號(hào)于 1971 年成為第一個(gè)進(jìn)入火星軌道的探測器,拍攝了 70% 的火星表面,并為后來的海盜一號(hào)、二號(hào)在火星著陸探測選定了地點(diǎn)。
美國水手四號(hào)火星探測器
1975 年,美國又先后發(fā)射了海盜一號(hào)、二號(hào)探測器。它們?cè)?1976 年進(jìn)入火星上空時(shí)軌道艙繞火星飛行,著陸艙實(shí)現(xiàn)了在火星表面成功軟著陸的壯舉。這兩個(gè)探測器共發(fā)回地球 5 萬多張火星照,還對(duì)火星表面的土壤進(jìn)行了取樣化驗(yàn)分析。結(jié)果表明,火星上沒有發(fā)現(xiàn)任何生命存在的痕跡,也未探測到火星上有任何有機(jī)分子。
此后全球探火轉(zhuǎn)入了低潮,一直到 17 年后的 1992 年,美國發(fā)射了 “火星觀測者”探測器。然而,它在即將到達(dá)火星時(shí)失聯(lián)。經(jīng)過 4 年技術(shù)改進(jìn)后,美國于 1996 年開始實(shí)施 “火星生命計(jì)劃”,先后成功發(fā)射了 “火星全球勘測者”和 “火星探路者”探測器,以確定火星上是否存在生命。其中 “火星探路者”攜帶了世界第一輛火星探測車 “旅居者”。
但是,美國在 1998 年和 1999 年分別發(fā)射的 “火星極區(qū)著陸器”、“火星氣候軌道器”又遭遇失敗。
1998 年,日本加入火星探測大軍,發(fā)射了首個(gè)火星探測器 “希望號(hào)”。但由于推進(jìn)器故障,希望號(hào)最終沒有進(jìn)入火星軌道。
沒能進(jìn)入火星軌道的日本希望號(hào)火星探測器
目的地為什么是火星?
火星是太陽系中與地球最相似且距離較近的行星,因此成為目前除地球以外人類研究程度最高的行星,人類用空間探測器對(duì)火星進(jìn)行探測的歷史也幾乎貫穿整個(gè)人類整個(gè)航天史。
火星
火星的一天約為 24.6 小時(shí),與地球十分接近;火星一年約為 687 地球日,少于 2 個(gè)地球年;其自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道面傾角約為 65°,所以存在四季變化,這也和地球相似;火星大氣很稀薄,以 CO2 為主,壓力大約只有地球的 1%;雖然火星表面溫度平均僅為 - 63℃,但夏天陽光直射區(qū)域溫度則可以上升到約 20℃,赤道附近的極端最高溫度則有機(jī)會(huì)達(dá)到 30℃左右。
另外,火星的直徑約為地球的 1/2,體積約為地球的 15%,質(zhì)量約為地球的 1/10,重力約為地球的 1/3。火星的表面大都為沙丘、礫石,也有不少隕石坑、火山與峽谷。火星擁有太陽系最高的山峰——奧林帕斯山,高達(dá) 21 公里;還擁有太陽系最長的峽谷——水手大峽谷,長 4000 公里、最深處 7 公里?;鹦巧硥m暴很厲害,有時(shí)達(dá)地球上 12 級(jí)臺(tái)風(fēng)的 6 倍,但由于氣體少,所以飛沙不走石。還有,火星有兩個(gè)天然衛(wèi)星。
火星沙塵暴示意圖
正因?yàn)榛鹦鞘翘栂道锱c地球最為相似的行星,所以探測火星,了解火星的起源和演化,有助于人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球和太陽系的形成和演化,預(yù)測地球的未來變化趨勢。
火星上是否有水、有生命,是人類目前最關(guān)心的。由于火星是與地球最為相似,所以探測火星生命的起源和演化,可促進(jìn)對(duì)地球生命乃至太陽系的起源和演化的研究,以及了解人類在宇宙中的地位和最終的命運(yùn)。
另外,探測火星本身的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、大氣特征、氣候變化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理場等也很重要。例如:
美國機(jī)遇號(hào)車拍攝的此處被證實(shí)曾經(jīng)有水,可能存在過生命
大量跡象表明,火星以前很可能與目前的地球一樣,只是經(jīng)過幾十億年的演化才變成大氣層稀薄、溫度較低、水源枯竭等今天這個(gè)樣子;而另一顆離地球很近的行星——金星正好與之相反。所以,不少天文學(xué)家推斷,火星是地球的未來,金星是地球的過去。因此,要深入探測火星,這對(duì)研究地球的演變,防止它變成人類難以生存的第 2 個(gè)火星具有促進(jìn)作用。
從長遠(yuǎn)看,火星探測還有可能解決未來地球上一些難以解決的問題。例如,地球可能總有一天會(huì)遭受地外星球的撞擊而毀滅。因此有些科學(xué)家現(xiàn)已開始研究向外空移民的方案了,以保留人類的延續(xù)。由于火星與地球最為相似,所以不少科學(xué)家認(rèn)為可先把火星改造成適合人類居住的第 2 個(gè)家園,然后向火星移民。為此,現(xiàn)在就必須逐漸全面而深入地了解火星才行,為改造火星、建造火星基地奠定基礎(chǔ),做好準(zhǔn)備。
美國好奇號(hào)火星車火星蓋爾隕坑全景照
新世紀(jì)的 “探火競賽”
進(jìn)入 21 世紀(jì)以后,世界火星探測高潮迭起,美國獨(dú)占鰲頭,歐洲、印度的火星探測器也紛紛亮相。
2001 年,美國成功地發(fā)射了 “火星奧德賽”探測器,首次發(fā)現(xiàn)火星地表下面存在水冰,這預(yù)示著火星上存在生命的可能性。此后發(fā)射的美國火星探測器也都獲得成功。
2003 年,美國先后發(fā)射了第二代火星車——勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào),它們不僅大大超期服役,而且相當(dāng)于一個(gè)地質(zhì)學(xué)家站在火星上獲取了重要成果,使科學(xué)家更好的了解了火星,并再次證實(shí)火星上有水。
美國機(jī)遇號(hào)火星車示意圖
2005 年入軌的美國 “火星勘測軌道器”是當(dāng)今世界最先進(jìn)、最大的火星軌道器,它用于從低軌道觀察火星,拍攝了大量高清晰度火星圖片,并為火星著陸器選址和中繼數(shù)據(jù)。
2007 年,美國鳳凰號(hào)火星著陸器升空。它是第一個(gè)在火星北極地區(qū)著陸的探測器。
2011 年發(fā)射的美國 “火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”攜帶了第三代火星車好奇號(hào),其上的科學(xué)儀器質(zhì)量是第 2 代的 15 倍,采用了不怕陽光少和沙塵暴的核電源作為火星車動(dòng)力,還首次采用了 “空中起重機(jī)”著陸新技術(shù)在火星表面精確著陸。
2013 年,美國 “火星大氣與揮發(fā)物演變”入軌。它是世界首個(gè)研究火星上層大氣的探測器,旨在調(diào)查火星上層大氣,幫助了解火星大氣氣體逃逸到太空對(duì)火星氣候演變所產(chǎn)生的影響。
2018 年 11 月 26 日,美國洞察號(hào)火星探測器在火星安全著陸。它首次對(duì)火星進(jìn)行 “體檢”,為火星做 CT,深入研究火星內(nèi)部,揭示巖質(zhì)天體形成等問題。
洞察號(hào)著陸火星工作示意圖,左下角的半圓形設(shè)備是火震儀,右下角的熱流探頭能深入地表下 5 米,測量火星內(nèi)部散逸的熱量,并幫助揭露火星的熱歷史
進(jìn)入 21 世紀(jì)后,歐洲也開始探測火星。2003 年 6 月 2 日,歐洲第 1 個(gè)火星探測器 “火星快車”升空。它由軌道器和著陸器組成,其中軌道器進(jìn)入火星軌道,獲得超出預(yù)想的數(shù)據(jù),包括用雷達(dá)探測火星的水資源存量,目前仍在超期服役,并為火星著陸器或巡視器選址和提供信息中繼服務(wù)。但其攜帶的英國獵兔犬二號(hào)著陸器在著陸火星過程中與地球失去聯(lián)系。
2016 年,以歐洲為主,歐洲航天局與俄羅斯合作研制的 “火星生物學(xué) - 2016”探測器入軌。它由 “微量氣體軌道器”和 “夏帕雷利”著陸器組成。其中軌道器成功進(jìn)入火星軌道,主要用于探測火星大氣中的微量氣體;著陸器原定用于進(jìn)行火星表面著陸試驗(yàn),但沒有成功。
歐洲 “夏帕雷利”著陸器從 “微量氣體軌道器”分離落向火星表面
2011 年,俄羅斯發(fā)射了 “火衛(wèi)一 - 土壤”/ 螢火一號(hào)探測器。這次火箭雖然沒出問題,但探測器在地球軌道發(fā)生了故障,沒能進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道,最后再入地球大氣層燒毀。
印度一直想在亞洲航天領(lǐng)域爭個(gè)第一。2013 年,印度發(fā)射了其第一個(gè)火星探測器——“曼加里安”。它于 2014 年成功進(jìn)入火星軌道,并發(fā)回所拍攝的火星照片,從而成為繼蘇聯(lián)、美國和歐洲之后世界第 4 個(gè)成功探測火星的國家或組織,也是亞洲第 1 個(gè)成功探測火星的國家。
2020,火星 “趕集”
今年有三個(gè)國家的火星探測器升空,猶如到火星去趕集。其中中國是首次發(fā)射火星探測器,阿聯(lián)酋的首個(gè)探測器則是與美國合作研制的。
阿聯(lián)酋的希望號(hào)火星探測器計(jì)劃于 7 月 20~22 日率先升空。這也是阿拉伯國家首個(gè)深空探測器。它是由美國提供技術(shù)支持研制的,如同一顆火星的氣象衛(wèi)星用于全面探測火星大氣,研究火星氣候變化、低空天氣變化、沙塵暴預(yù)報(bào)等。
希望號(hào)有四大科學(xué)探測目標(biāo):一是探索氧氣和氫氣從火星大氣中散逸出去的內(nèi)幕;二是研究古今火星氣候之間的聯(lián)系;三是尋找火星下層大氣與上層大氣之間的聯(lián)系;四是構(gòu)建最全面的火星大氣整體模型。
為此,它載有 3 臺(tái)科學(xué)有效載荷:阿聯(lián)酋探索成像儀、阿聯(lián)酋火星紅外光譜儀、阿聯(lián)酋火星紫外光譜儀。
阿聯(lián)酋希望號(hào)火星軌道器
我國天問一號(hào)火星探測任務(wù)將通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項(xiàng)任務(wù),這在人類火星探測史上是前所未有的。采用這種 “一舉三得”的探火方式,起點(diǎn)高,效益高,但挑戰(zhàn)大。如果成功了,將使我國深空探測能力和水平實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,成為世界第 3 個(gè)在火星著陸的國家,第 2 個(gè)在火星巡視的國家。它將深化我國對(duì)火星乃至太陽系的科學(xué)認(rèn)知,推進(jìn)比較行星學(xué)等重大問題研究。
天問一號(hào)火星探測器由環(huán)繞器、著陸巡視器(又叫火星車)組成。其中環(huán)繞器用于對(duì)火星開展全球性、普查性綜合探測,并為巡視器提供中繼通信鏈路,設(shè)計(jì)壽命一個(gè)火星年,相當(dāng)于 687 個(gè)地球日;火星車用于在著陸區(qū)開展區(qū)域性、精細(xì)性巡視探測,設(shè)計(jì)壽命工作 3 個(gè)火星月,相當(dāng)于地球上的 92 天。
中國火星探測器進(jìn)行熱試驗(yàn)
我國將用長征五號(hào)遙 4 運(yùn)載火箭發(fā)射天問一號(hào)火星探測器。該火箭地火轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力可以達(dá)到 5 噸,能滿足天問一號(hào)直接進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道的要求。天問一號(hào)將在 2021 年 2 月左右進(jìn)入火星軌道。此后,其上的著陸巡視器將擇機(jī)與環(huán)繞器分離在火星表面著陸。
天問一號(hào)的工程目標(biāo)是突破火星制動(dòng)捕獲、進(jìn)入 / 下降 / 著陸、長期自主管理、遠(yuǎn)距離測控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù),獲取較多的火星科學(xué)數(shù)據(jù),使我國深空探測能力和水平進(jìn)入世界航天第一梯隊(duì)。
中國天問一號(hào)飛向火星示意圖
天問一號(hào)的科學(xué)目標(biāo)是研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征;研究火星表面土壤特征與水冰分布;研究火星表面物質(zhì)組成;研究火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征;研究火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
為此,天問一號(hào)的環(huán)繞器將攜帶 7 臺(tái)科學(xué)儀器,包括高、中分辨率相機(jī)、光譜儀、磁力計(jì)、表面雷達(dá)、離子和中性粒子探測儀等;天問一號(hào)的火星車將攜帶 6 臺(tái)儀器,包括探地雷達(dá)、光譜相機(jī)、小型氣象站、磁場探測儀等。
據(jù)我國火星車專家賈陽介紹,我國火星車除裝有太陽電池板外,在其頂部還裝有一個(gè)像雙筒望遠(yuǎn)鏡樣子的設(shè)備,叫作集熱窗,它可以直接吸收太陽能,然后利用一種叫作正十一烷的物質(zhì)儲(chǔ)存能量。白天,火星溫度升高,這種物質(zhì)吸熱融化,到了晚上,溫度下降,這種物質(zhì)在凝固的過程中,釋放熱能,這樣效率可以達(dá)到 80% 以上。
中國火星著陸器巡視器
由于目前大多數(shù)火星著陸器和火星車都采用太陽能電池供電。為此,火星著陸器和火星車一般著陸在緯度小于 40° 的火星低緯度地區(qū),因?yàn)檫@一區(qū)域陽光比較充足,晝夜溫差也比較小,有利于探測器的工作。據(jù)專家介紹,綜合考慮多種因素,我國火星著陸區(qū)在火星北緯 5°~39°。從光照考慮,火星赤道附近好,但地形復(fù)雜。另外,由于登陸火星 99% 以上減速是靠大氣,因此著陸點(diǎn)海拔越低減速時(shí)間越長,著陸越安全。
安全著陸是火星探測任務(wù)最艱巨的挑戰(zhàn)之一。2019 年 11 月 14 日,我國在位于河北懷來亞洲最大的的地外天體著陸綜合試驗(yàn)場,成功模擬了著陸器在火星重力環(huán)境(火星重力加速度約為地球的 1/3)下懸停、避障、緩速下降的過程,對(duì)其設(shè)計(jì)正確性進(jìn)行了綜合驗(yàn)證,也為火星探測任務(wù)的如期實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
中國首次火星探測任務(wù)著陸器懸停避障試驗(yàn)
據(jù)中科院院士,航天科技集團(tuán)科技委主任包為民透露,我國著陸巡視器組合體著陸過程分 4 個(gè)減速段,先是氣動(dòng)減速段,靠火星大氣的阻力,用約 290 秒把速度從 4.8 公里 / 秒減速到 460 米 / 秒;然后探測器打開降落傘,用約 90 秒把速度由 460 米 / 秒降到 95 米 / 秒;接著進(jìn)入到動(dòng)力減速段,探測器反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作,用 80 秒把速度減小到 3.6 米 / 秒;最后是著陸緩沖段,在距火星表面 100 米懸停避障,然后以 0 速度著陸。
因?yàn)樘炀€的直徑和探測距離成正比,增大天線口徑是提高信號(hào)信噪比的基本途徑,可以增加探測距離。為此,火星探測器常采用高增益、高可靠的拋物面天線,地面深空網(wǎng)也采用直徑很大的收發(fā)天線。我國主反射面直徑 70 米高性能接收天線將于 2020 年 10 月在天津武清建成,工作頻段為 S、X 和 Ku 頻段,它完全具備火星探測的數(shù)據(jù)接收能力。
直徑 70 米高性能接收天線
權(quán)威航天專家最近在采訪中提到,我國還計(jì)劃在 2028 年左右進(jìn)行第二次火星探測任務(wù),采集火星土壤返回地球。
美國將于 7 月 30 日發(fā)射火星 - 2020 火星探測器,它由巡航級(jí)、下降級(jí)、減速器和毅力號(hào)火星車等部件共同組成,最后只有毅力號(hào)火星車降落在火星表面。
美國毅力號(hào)火星車
汽車大小的毅力號(hào)火星車,計(jì)劃于 2021 年 2 月 18 日在火星杰澤羅隕坑口著陸。它有四大任務(wù):一是研究火星的地質(zhì)特征;二是確定火星上是否曾經(jīng)存在生命;三是研究火星氣候狀況;四是測試火星大氣中的氧氣產(chǎn)生機(jī)制以及各種大氣參數(shù)數(shù)據(jù)。
該火星車是在好奇號(hào)火星車的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的,以便降低費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn),節(jié)約時(shí)間,但它還是采用了多項(xiàng)新技術(shù)。例如,它將攜帶一架小型無人駕駛直升機(jī)機(jī)智號(hào),用于前往漫游車難以到達(dá)的地區(qū)或生物敏感地區(qū)進(jìn)行區(qū)域勘探。
美國微型火星直升機(jī)想象圖
最后,預(yù)祝中美阿三國的火星探測器都能馬到成功。
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