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火星,为什么中国一定要去?
 来源:   2020-05-15 17:19

在东方红一号成功发射50周年的日子,我国公布了航天工程下一个里程碑式的任务——“天问一号”,即火星探测。而“天问”也成为了我国行星探测任务的共同名称。从“天问”的任务标志看,未来中国的探测器不只将光顾火星,太阳系的其他大行星和卫星也将是我们的探测目标。

目前,大部分航天器主要工作在地球附近,已经能够直接服务社会生产生活,提供通信、导航、对地观测等服务。近地空间的航天应用已经从早期前瞻性的技术试验领域转化为实行化、商业化的领域,目前相对成熟。而目前空间探测的前沿,则是远离地球、去往其他天体的深空探测。

从美国等航天强国的发展历程看,月球是深空探测的第一站。通过嫦娥探月计划的成功实施,我国已经掌握了对月球进行环绕、降落和巡视探测的相关技术,除了月兔号月球车在工作期间出现意外这一插曲外,整体上说嫦娥任务计划进行的相当成功,还在鹊桥号中继卫星的帮助下实现了人类月球背面的首次着陆。

月球之后,人们选择下一个目标往往是火星。在太阳系中,地球的近邻是火星与金星,都可以作为月球之后的下一个备选目的地。然而,无论从科学研究角度还是未来对行星的开发利用角度讲,火星是比金星更加理想的选择。

火星全貌

对于生命体来说,火星的环境要比地球恶劣不少。火星的大气相对稀薄,且主要成分为二氧化碳。大气中存在着强沙尘暴等恶劣天气,平均温度约零下数十度。火星没有较强的内禀磁场,无法像地球一样提供对于太阳高能粒子提供足够的抵御。

但相对于其他行星来说,火星与地球的相似度又是最高的。火星轨道之外的大行星均为气态巨星,它们甚至没有一个可以让我们稳定站立的固体表面,形态与地球有根本上的不同。而对于地球轨道以内的金星和水星来说,由于距离太阳太近,一方面白天时行星表面温度相比地球高的太多,另一方面太阳的潮汐锁定也使得它们自转一周的时间太长。比如,金星上的一天相当于地球上的两百多天,因此对于同一地区来说,昼夜不会快速变换,将在较长的时间里处于极寒或极热的状态下。

火星上一天的长度仅比地球稍长,和地球一样在温带地区有着四季的变化,火星表面的地形地貌和地球也有着比较多的相似。现有研究表明,火星历史上也许曾经是一颗温暖湿润的星球,还有可能孕育过生命,然而火星气候发生的气候变化使得它成为了如今的样子。从科学研究的角度讲,我们可以从这颗星球表面、内部和附近的空间中,获取关于它过去和现在变化的信息,从中发现行星演化可能的规律,并由此对地球未来可能的命运有所认知。毕竟一代人或几代人的生命相对于行星演化的时间周期来说都相当短暂,而火星上恰好可能储存了这个过程的“纪录片”。

好奇号火星车拍摄的火星夏普山,如果不加解释,仅凭图像看,很有可能被误认为是地球上的山峰

火星与地球的相似性也使得它成为太空移民的首选目的地。目前,已经有如马斯克这样的“极客”在PPT上勾勒未来“火星殖民”的蓝图。虽然这样的愿景何时能够实现尚不可知,但至少火星移民在理论上是具备可能的。火星上可能存在着大量冻结成冰的水,具有能够提炼成金属的矿藏,也有高浓度甲烷出现的区域。这些资源,都可以让最初的火星移民在从地球运送来的机械和资源的基础上,在火星就地取材扩大生产,逐步实现自给自足,最终不需再耗费大量成本从地球上运去物资。至于维系人生存的食品,火星与地球比较接近的气候,也给在火星进行农业生产提供了可能。植物进行光合作用的原料二氧化碳,是火星大气的主要组成部分。

SpaceX对于未来火星城市的构想图

人类对火星的探测主要可以划分为三个阶段。第一个阶段开始于上世纪六十年代,以飞掠和着陆探测为主,获得了关于火星的初步认识。这一时期比较成功的探测器有美国的水手4号和6号、7号,成功飞掠火星后传回了火星表面的图片;及美国的维京1号和2号,成功在火星表面着陆并进行探测。由于技术还不成熟,这一时期任务的失败率较高,不但苏联进行的十多次探测一次都没能成功,美国也有数个探测器牺牲在了飞行的不同阶段。

第二个阶段主要在上世纪90年代,美国、日本和俄罗斯的几艘探测器打破了火星探测在80年代的沉寂。这一时期火星飞行的失败率仍然很高,除美国的火星探路者号和火星全球勘测者号外,美国、俄罗斯和日本的其他8个探测器任务均以失败告终。

机遇号火星车拍摄的其在火星着陆场附近的情况

进入二十一世纪后,火星探测迎来了大发展。这一时期,环绕火星的探测器和在火星表面着陆和进行巡视的探测器组队出发,在火星上相互配合,取得了令人振奋的成果。美国的勇气号、机遇号火星车超设计寿命工作,其装配的丰富的科学仪器不但为科学家们带来了大量新发现,还传回了诸多可以让大众身历其境的火星照片。目前MAVEN、好奇号、洞察号等等后续探测器又在源源不断的获得新的成果。得益于深空探测技术在失败中获得的进步,进入二十一世纪后火星探测任务的成功率大幅提升。

不同时期在火星表面着陆的探测器

去年10月,我国已经公布了火星探测器的外观图。综合图片和有关公开文献信息,这艘现在已经被命名为”天问一号“的探测器由两个部分构成,其中上半部分的钝头体为着陆器,带有喷嘴的下半部分为环绕器。在发射后,天问一号将进入地火转移轨道飞行,着陆器和环绕器在火星附近分离。着陆器落地火星表面,除了对落点就地开展探测外,还会放出巡视器(火星车),对落点附近的区域进行进一步探测。而环绕器则留在环绕火星的轨道上,在进行探测的同时,也充当火星车与地球之间的“信使”,提供通信中继服务。

我国的火星探测器外观图

从问天一号的配置看,本次任务将同时进行环绕、着陆和巡视三种探测。从地球出发,进入地球到火星间的转移轨道,经过半年以上的飞行时间正常到达火星,本来也不是一件容易的事情,需要解决轨道设计方面,飞行器“自动驾驶”(自主控制)和深空通信等多方面的技术问题。而着陆火星则更加惊险。从航天器开始进行着陆到最终在火星表面停稳,整个过程大概要在8分钟内完成,但火星到地球的单向通信时间高达15分钟,发送信号再等待地球返回信号最短也要半个小时,因此探测器必须具备强大的自我管理与控制功能,能够将一个又一个不能NG的动作全部正常完成,才能安全降落在火星表面。虽然我国火星探测的起步相对于美国、欧洲等要晚,但一旦“天问一号”的任务圆满完成,将会使我们的探测技术水平站到世界前列。

国家天文台武清站用于火星探测测控的70米天线吊装成功,这种天线不但能支撑火星任务,也能为其他未来的深空任务提供服务

如果要对距离地球较远的行星、小行星进行探测,或者像近两年发射的帕克太阳探测器、太阳轨道器那样对太阳实施抵近探测,或是去往遥远的太阳系边缘进行星际探测,一般需要通过其他行星的借力飞行完成,任务的实施难度更大。只有通过火星探测,掌握了深空探测所必须的轨道设计、高可靠性自动控制、深空测控等方面的技术,才有可能进行难度更大的探测。

总之,如果要想在未来的大航天时代中占有一席之地,火星,中国一定要去。

编辑: 木木
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