登陆火星,盛宴启幕!发射窗口再度来临,各国掀起新一轮火星探测器发射高潮

subtitle 文汇报 07-19 08:26
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(图/视觉中国)

从远隔4亿千米到相距6200万千米,今年10月,火星将再次来到与地球非常接近的位置。就在最近,26个月出现一次的火星探测器发射窗口期又一次开启,人类将迎来新一轮的火星探测器发射高潮。我国首个火星探测器“天问一号”也将在这个“窗口”发射。

从古至今,人类对火星这颗神秘的红色行星的探索,从未停止。尤其是最近几十年,航天技术发展日新月异,“登陆火星”正成为世界各国争相实现的深空探测目标。

为了探测火星,早在60年前,人类就开始发起各种火星探测任务。在各种类型的火星探测任务中,登陆火星无疑是其中难度最大的,代表了当今火星探测的最高水准。

按照计划,中国首次火星探测任务“天问一号”将在7月下旬到8月上旬择机发射,一次性完成“绕、落、巡”三大任务。“天问一号”上搭载有一辆中国人自主研制的火星车,计划于2021年初登陆火星,这意味着我国将向登陆火星这一高难度“探火”任务发起挑战。

26个月一次

“探火”发射窗口开启

从地球化学专业角度来说,再多的遥感探测,都比不上1克火星岩石带给我们的信息丰富。发射探测器登陆火星,从火星上取样回到地球,可以最直接地带回火星上是否有生命的确切信息。

可是,火星距离地球太远了。这个与地球一样沿着椭圆形轨道绕着太阳转的红色行星,最远的时候距离地球超过4亿千米,最近时也相距约5500万千米。

由于火箭的推力有限,为了节省能量,航天器从地球到火星,要沿着抛物线的霍曼转移轨道才最省燃料。这就要求火星探测器从地球上起飞时,火星恰好处于地球前方约44°的相对位置。因此,每隔26个月才会出现一个发射机遇期,每次时长约在一个月左右,这就是火星探测器的“发射窗口”。

(图/视觉中国)

这几天,火星到地球的距离约为1.1亿千米,且正在以每秒18千米的速度接近地球。7月23日,火星探测器的发射窗口期开启,地球和火星的距离将缩短到1亿千米。这段时间前后,包括“天问一号”在内的数个火星探测器都已整装待发。

今年10月14日前后,火星与地球之间的距离将缩短到6200万千米,是两者相对最接近的时候。此时,火星、地球、太阳将在太空中排成一条直线,这就是天文学上的“火星冲日”,也是从地球上观测火星的最佳时机。而今年,当人们在地球上观测火星时,包括“天问一号”在内的各国火星探测器可能正在奔向火星。

困难重重

各国火星计划命运多舛

航天是一个系统工程,涉及数百家甚至上千家单位,但火星探测器的发射时间却很难推迟,这就给工程的组织、实施、协调带来了较大难度。此外,遥远的距离也给航天器的通信、测控带来了极大困难。

地球到月球的平均距离为38万千米,但地球与火星之间的距离最远达4亿千米,无线电波以光速传播,单程就需要将近23分钟。也就是说,从地面上发一个指令给“天问一号”,它要在23分钟之后才能执行;而地球上的工程师收到指令的执行结果,则要到将近一个小时之后。因此,纵观人类火星探测任务的执行历史,完全成功的不足50%。

不过,越是困难越向前。早在20年前,美国宇航局就曾计划于2007年发射一辆火星车,采集岩石样品送回地球。由于受到经费限制,这一计划只能被搁置起来。

今年,美国将再探测火星,准备将一辆以寻找生命相关标志物为探测重点的火星车“毅力号”送上火星,希望能回答“火星上究竟是否有过生命”这一科学问题。“毅力号”还将携带43根样品管,将采集到的岩石和土壤样品妥善封装,等2030年前后的下一次火星探测任务时,把样品带回地球。

▲美国航空航天局和欧洲航天局提出的火星样本返回任务概念图,由探测器收集岩石土壤样本,并将其储存在密封管中发射返回地球。图片来源:NASA/JPL

在航天任务中,欧洲既跟美国合作,也跟中国和俄罗斯合作。2016年,欧洲和俄罗斯已经合作过一次火星探测任务,虽然成功将轨道器送入环绕火星轨道,但一同奔赴火星的着陆器“斯基亚帕雷利号”却最终坠毁。此后,双方再次合作,由俄罗斯研制着陆器,欧洲空间局研制火星车,两者合体前往火星。这辆采用太阳能发电的火星车,将钻入地下两米深处进行采样分析。科学家相信,那里可以屏蔽火星表面的严酷环境,或许还保留着远古时代形成的微生物。然而,或许由于新冠疫情的影响,今年3月12日,欧空局和俄罗斯宇航局突然宣布该任务推迟两年。

预计本月晚些时候,阿联酋“希望号”火星探测器将经由日本H-2A火箭发射升空,并于明年2月在阿联酋成立50周年之际抵达火星轨道。进入轨道后,它将围绕火星运行约一个火星年,收集关于火星气候和大气层的最新数据。这颗卫星的主要功能是收集火星上的气象数据,这些数据将于明年八九月间公开。

“天问”待发

将一次性完成“绕落巡”

今年的火星探测竞赛中,中国探测器的身影——“天问一号”,格外引人注目。

探测火星,中国几经周折。在过去十几年中出现的几个火星探测器发射窗口,自主火星探测计划数次被提及,却一再推迟。2007年,嫦娥一号探月卫星发射成功之后,我国曾经论证过把它的备份星,也就是后来的嫦娥二号,经过改造后去探测火星的可行性,但由于受当时条件限制而未能实现。2011年,我国曾在俄罗斯的航天器上搭载过一个火星探测器“萤火一号”,由于俄方火箭发射故障,未能成功奔赴火星。

今年4月24日第五个“中国航天日”,备受关注的中国首次火星探测任务名称、任务标识正式公布。中国行星探测工程被命名为“天问”系列,首次火星探测任务命名为“天问一号”,后续行星探测任务依次编号。“天问”这一名称源于2300多年前爱国诗人屈原写的长诗《天问》,表达了中华民族追求真理、探索未知的文化传承。

(图片来源:国家航天局)

“天问一号”是中国继探月工程之后,踏出自主探测火星的第一步,将首次拉开行星探测的大幕。根据计划,我国首次火星探测任务将综合采用环绕、着陆、巡视探测三种方式——既有轨道器环绕火星,又有着陆器登陆火星,还有火星车巡视火星表面。其他国家要通过两三次任务才能实现的目标,中国将一次性完成。这种组合探测技术更复杂,任务难度更大。

经过七八个月的“赶路”,“天问一号”计划于2021年初抵达火星,然后择机释放着巡组合体,进入火星大气层,实现登陆火星。它携带的火星车搭载了多台科学仪器,将探测着陆区的流水地貌、火山地貌、风蚀地貌、撞击坑地貌,分析表面物质的成分,并测量气象参数,探测地下结构。

20世纪30年代,著名作家老舍发表了长篇科幻小说《猫城记》,就是以火星作为故事发生的场景。如今,火星与中国的距离正在从科幻变成现实。火星上这辆源自中国的小车,承载了中国人对红色星球的梦想,它将让中国在火星探测领域,从看台上的观众变成航天竞技场上的选手。

从1960年苏联发射人类历史上第一个火星探测器 “火星1号”开始,人类的火星探测之路至今已走过了60年。

“火星1号”并没有成功,此后火星探测又经历了连续五次失败。直到1965年,美国发射的“水手4号”才首次成功飞越火星,传回了几张模糊的火星照片。

迄今为止,全球共进行了40多次火星探测任务,其中既有环绕火星的轨道器进行遥感探测,也有着陆器登陆火星表面进行定点探测,还有四辆小车在火星表面进行了巡视勘察。

▲从左至右:在美国航空航天局喷气推进实验室陈列的“勇气号”“索杰娜”和“好奇号”火星探测器的1:1模型,中为“好奇号”项目科学家阿什温·瓦萨瓦达。 图片来源:NASA/JPL

探路先锋“索杰娜”

2015年上映的科幻大片《火星救援》中,主角马克在火星上找到一辆上世纪90年代登陆的火星车。这辆火星车并非凭空捏造,是在1996年发射升空、1997年7月4日登陆的火星车“索杰娜” (也译为“旅居者号”)。这个女性化的名字,是为了纪念一位曾经的黑奴索杰娜·特鲁斯。在美国南北战争期间,她积极反对奴隶制度,争取妇女权利。

“索杰娜”是火星探路者号计划的一部分,其设计寿命仅一周,而且它走得很慢,最快时也只有1厘米/秒。它还有一个重要缺陷,只能通过着陆器转发信号与地球通信。不过,作为第一代火星车,“索杰娜”虽然只有10.6千克重,功能简单,走得也不远,但它却为此后更复杂、功能更强大的火星车担当起了“探路先锋”的重任。

火星车“双胞胎”

分别于2003年6月10日和7月7日发射的“勇气号”和“机遇号”,是一对“双胞胎”火星车,不仅外形长得一模一样,连携带的探测设备也完全相同。它们分别于2004年1月4日和1月25日先后登陆火星。

作为第二代火星车,“勇气号”和“机遇号”重约170千克,是“索杰娜”的16倍。作为机器人“地质学家”,这对“双胞胎”携带了更多的仪器设备,其主要目的是分析火星岩石的物理特性、化学成分和矿物组成。

▲“机遇号”火星车在离开登陆点,开启宇宙马拉松之前,最后一次回望着陆器。图片来源:NASA网站

这是一款低成本航天器,“勇气号”和“机遇号”的设计寿命只有3个月(90个火星日,1个火星日为24小时37分钟)。最终,“勇气号”却运行至2010年,工作了6年多,跑了7.7千米;“机遇号”更是一直运行至2018年,比设计寿命超出近60倍,在火星上总计跑了45.16千米,堪称宇宙“马拉松”冠军。

火星科学实验室

“好奇号”是第三代火星车。这个名字是12岁的华裔女孩马天琪给它取的昵称,它真正的名字叫“火星科学实验室”,配备了全套实验设备,能够独立完成地球上普通岩矿实验室里的常规分析任务。

“好奇号”的外形类似一辆私人轿车,重约900千克。它没有太阳能电池板,采用同位素温差发电机,通过放射性元素的衰变进行发电,是第一辆没有“翅膀”的火星车。

“好奇号”设计寿命两年,自2012年8月登陆至今,始终状态良好,是目前唯一仍在正常运行的火星车。在登陆火星的这段时间里,“好奇号”获得了很多有意思的发现。比如,它发现过一片可能被水流搬运过的鹅卵石,又在火星大气中检测到了含量不高的甲烷,还从土壤中检测到多种不同的有机物。每天,地球人都可以收到它发来的火星气象报告。

作者:郑永春 (中国科学院国家天文台研究员)
编辑:许琦敏
责任编辑:任荃

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