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火星探测简史 | 从拍摄第一张照片到寻找外星生命

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全球技术地图 2021-04-14 01:13
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摘20世纪60-70年代是苏美火星探测的第一个阶段,在此阶段苏美两国制定的目标是有限的、渐进的.

由于火箭、探测器研制与导航、控制技术不够完善,这个阶段的第一个目标是发射探测器使之尽可能靠近火星并掠过,用相机拍摄火星并用仪器探测火星的各类参数,这就是“掠”(Flyby)。

第二个目标是发射探测器并通过变轨、减速等手段使之绕火星旋转,成为火星的卫星。实现这个目标就可以在火星轨道上较长时间就近观察、探测火星,这就是“绕”(Orbiting)。

第三个目标是发射探测器并通过变轨、减速、下降、着陆等过程,实现在火星上软着陆,这就是“落”(Landing)。

水手号-描绘火星面貌

在火星探测领域,美国起步比苏联晚了4年。1964年11月5日,美国发射了第一颗火星探测器——水手3号,因火箭发生故障它未能进入地球轨道,任务失败。

11月28日美国又发射水手4号探测器,它成功地飞掠过了火星,最近距离只有1000千米。

水手4号探测器

在这样近的地方发现火星上布满环形山,那里没有运河,也没有水。它还第一次拍摄了火星表面的照片。

水手4号火星照片

水手3和4号探测器完全相同,探测器重260.8千克,由宇宙神-阿金纳D型火箭发射。

水手4号组装

探测器带有成像系统、宇宙尘埃探测器、宇宙射线望远镜、电离室、氦磁强计、辐射俘获探测器、太阳等离子体探测器等设备。

它的探测与数据传输一直持续到1965年12月31日,是早期行星探测器表现最出色的一个。

Mariner-4拍摄的火星奥林匹克山

1969年初,美国发射了水手6号和7号火星探测器。它们取得了一定成功,不但发回了一些数据,而且向地面传送了200张火星照片。

水手6号探测器

水手6号和7号是同一组新的火星探测器,技术状态基本一致。

它们的质量提高到381千克,主要仪器有成像系统(两台电视摄像机)、红外光谱仪、紫外光谱仪、红外辐射计、天体力学实验、S波段掩星实验仪和锥形辐射计。它们分别于1969年2月25日和3月27日由宇宙神-人马座运载火箭发射。

水手7号发射

两个探测器都计划在近距离(大约3200千米)飞行期间研究火星表面和大气层,还包括掩星实验。所有的仪器都是为了收集火星上的数据而设计的;没有用于研究行星际空间的实验。

探测器由一个八面体镁框架建造的,框架内有四块矩形太阳能电池板,功率为449瓦。探测器核心是11.8千克重的控制计算机和定序器(CC&S)计算机,可在不受地面控制的情况下独立操作探测器。

水手6号于美国东部时间7月31日飞越火星,距离3429千米。

在最接近火星(赤道以南)15分钟前,两台电视摄像机开始以每42秒自动拍摄一次火星照片,17分钟内拍摄了24张近景照片,这些照片被储存在磁带录音机中,然后在飞行20小时后以每5分钟一帧的速度传回地球。

水手6火星照片

照片显示了复杂的陨石坑和混乱的地区,与月球的某些部分没有什么不同。南极地区的图像显示了不规则边界的有趣细节。科学仪器探测表明,北极帽发出的红外辐射与固体二氧化碳一致。

水手6号发现火星表面大气压力相当于地球表面30.5千米高,大气成分约98%是二氧化碳,温度从夜间的-73℃到南极帽的-125℃不等。

水手6号最终进入日心轨道(1.14×1.75 AU),美国宇航直到1971年年中一直从水手6号上接收数据。

火星近景照片

水手7号飞行过程不太顺利,但最终还是获得了一些成果。它拍摄了93张火星的远景和33张近景图像,显示了与水手6号非常相似的复杂陨石坑地形。

最接近火星的时间是1969年8月5日,距离为3430千米。奇怪的是,尽管分辨率高达300米,水手7号却发现南纬希腊大环形山中心没有撞击坑。

水手7号在火星南纬59°,东经28°希腊平原地区测量到大气压力为3.5毫巴,温度为-90°F,表明该地区比平均地形高出约6千米。

后来的分析表明,拍摄的照片中至少有3张包括火卫一。虽然表面特征看不见,但照片清楚地显示火卫一的形状不规则。

水手7号后进入日心轨道(1.11×1.70 AU),宇航局一直保持从该探测器接收数据,直到1971年年中。

水手7拍摄的火卫一照片

随着探测器技术水平的提高、控制技术的增强以及火箭运载能力增大,深空探测器有可能通过安装复杂的轨道控制与减速系统,使之进入行星轨道,成为人造行星卫星。

水手8号和9号就是第二阶段计划进入火星轨道的探测器。

1971年5月9日,水手8号探测器发射,因火箭问题而失败。与之相同的水手9号则取得了很大成功。它获得了大量关于火星的探测资料,一共拍摄并发回了7000多张火星和其卫星的照片。

水手9号探测器

水手9号和8号完全相同,重997.9千克,都基于宽八角形结构,使用双组元推进系统,固定推力为136千克,用于环绕火星的轨道进入。

安装有成像系统、紫外光谱仪、红外光谱仪和红外辐射计。所有科学仪器都安装在主体下方的可移动平台上。延伸的太阳能电池板跨度为6.9米。

水手9号于1971年5月30日发射,1971年6月5日经中途修正后,启动主发动机工作915.6秒,进入火星轨道,从而使之成为第一个进入绕行星轨道运行的人造物体。

水手9号发射

这次任务的主要目标是在火星轨道运行的头3个月绘制大约70%的表面地图。成像任务于11月下旬开始,但由于这段时间在火星发生了严重的沙尘暴,1972年1月中旬之前拍摄的这颗行星的照片并没有显示太多细节。

沙尘暴平息后,从1972年1月2日起,水手9号开始发回火星深坑景观的照片,这是史上第一次。

发现的横跨萨瑞南高地1700多千米的巨大平行细沟系统。这些信息推翻了认为火星在地质学上是惰性的观点。

水手9火星照片

有人猜测,在早期,火星表面可能存在水,但水手9号探测数据尚不能提供任何确凿的证据。

到1972年2月,水手9号已确认了大约20座环形山,其中一座后来被命名为奥林匹斯山,其规模远大于地球上任何类似的特征。

根据水手9号光谱仪的数据,确定了奥林匹斯山可能由来自行星内部的热岩浆喷发形成的“大火山堆”。该山大约15-30千米高,底部直径600千米。

火星上另一个主要的地表特征是大峡谷,长4000多千米,宽200千米,某些地区深达7千米。这个峡谷后来被命名为水手大峡谷。

水手大峡谷

1972年2月11日,宇航局宣布水手9号完成了它的所有任务目标。到1972年10月27日最后一次通信联络后,水手9号携带的用于姿态控制的气态氮耗尽,任务结束。

水手9号火星照片

水手9号作为人类第一颗进入火星轨道的探测器,取得了突出的成就。利用它发回的数据,科学家绘制了火星85%的地图,分辨率为1–2千米。它拍摄并发回了7329张照片(包括至少80张火卫一和火卫二的照片)。

水手9号拍摄的火卫一照片

水手9号是航天时代早期伟大的探测器,做出的发现和取得的成就意义深远。在失去观测能力后,它还一直绕火星运行。

依据水手9号数据制作的火星模型

海盗号-寻找地外生命

为了更好地搜寻地外生命,美国宇航局在1961年曾邀请生命与环境专家詹姆斯·拉夫洛克参与了美国的空间计划,规划了寻找地外生命的方式。

詹姆斯认为,应该摆脱“地球中心论”思想,抛弃以往直接搜寻生命体和辨认生命体内DNA等方法,转而利用基于细胞的生物反应来搜寻地外生命。

他提出可以把搜集来的火星样本浇上水,以检测微生物生长的痕迹。詹姆斯的想法直接定义了海盗号探测器(以下简称海盗号)的地外生命探测思路。

海盗号原型

由于火星大气的主要成分是二氧化碳,只有少量水蒸气,于是科学家们想到可以在地球上的类似环境中对海盗号进行测试。

他们在南极洲的干谷、智利的阿塔卡玛沙漠相继开展了测试实验,并且成功寻找到样本中的生命迹象。这一结果使科学家们备受鼓舞,他们又重新燃起对火星生命的期待。

在这些研究基础上,美国于1975年8-9月发射了两个先进的海盗号火星探测器,这是美国60-70年代火星探测三部曲的最后一部——火星软着陆。

它们到达火星表面后工作了3个月之久,发回了不少探测数据和照片,从而加深了人们对火星的认识。

除了搭载了用于测量火星温度、磁场、风速等数据的仪器外,它们还携带了用于搜寻生命的生物学实验设备。

它们发回的全彩图片揭示了一个与地球完全不同的世界,人们首次了解到火星上的天空是锈红色的,而不是类似于地球的蓝色。

海盗号项目经理对这一历史性的火星登陆评价道:“我们创造了历史!火星从一个词语、一个抽象的概念,变成了一个实实在在的地方!”

海盗1号(Viking 1)探测器质量3527千克。它由两大部分组成,一是轨道器,重2339千克,由成像系统(2个摄像机,VIS)、水蒸气测绘红外光谱仪(MAWD)和热成图红外辐射计组成。

二是着陆器,呈六边形,每面长0.56 米,高1.09 米,由三个脚架提供支撑,净重576千克,由成像系统(2台传真摄像机)、气相色谱质谱仪、地震计、X射线荧光光谱仪、生物实验室、气象仪器包(温度、压力、风速)、远程采样器臂组成,其外壳上还有缓速电位分析仪,高层大气质谱仪,压力、温度和密度传感器等设备,主要用于对火星表面的生物、化学、气象、地震、地磁、地貌等方面进行研究。

海盗1号

海盗号着陆器由钚-238放射性核温差发动机提供能源,因此有较长的使用寿命。

海盗1号着陆器的热保护壳

1975年8月20日,海盗1号由新型大力神Ⅲ-人马座运载火箭发射。

海盗1号发射

依靠所携带的推力器,经过三次中期修正(1975年8月27日、1976年6月10日和15日),海盗号于1976年6月19日进入绕火星轨道,初始轨道参数为1500×50300千米。

第二天,轨道器经变轨进入1500×32800千米的工作轨道。同一天,当轨道器开始传送金色平原地区预定着陆地点的照片时,科学家发现该地区比预期的更粗糙。科学家们利用这些新照片,将着陆器对准了位于金色平原西部斜坡的另一个地点。

海盗1号轨道器拍摄的火星

1976年7月20日,着陆器与轨道器分离并减速下降。其过程是热防护壳空气动力减速、降落伞减速、着陆器反推发动机减速,在此期间着陆器还采集了火星的大气样本。

海盗1号着陆器软着陆于火星表面的时间是1976年7月20日,着陆点距离计划目标约28千米,地理位置是北纬22.5°,东经47.94°。降落后,着陆器即开始拍摄高质量的周围环境照片(三种颜色)。

海盗1号着陆器拍摄的火星表面图片

除了高分辨率图像外,着陆器还拍摄了360°的全景照片,不仅显示了着陆器本身的部分,而且还显示了环境中温和起伏的平原。

火星全景照片

仪表记录的温度范围从-86°C(黎明前)到-33°C(下午)。然而,着陆器上携带的地震仪无法工作。

海盗号拍摄的水手大峡谷

7月28日,海盗1号着陆器的机械臂在火星表面挖了一个深约5厘米的坑,采集了第一批土壤样本,将它们放入一个特殊的生物实验室进行分析,其中包括一个气相色谱质谱仪。

收集的四个样本的累积数据可以初步解释为火星表面存在生命(“弱阳性”)。但使用气相色谱仪(能够检测出土壤中低至亿分之一到十的有机化合物)实验对有机化合物进行的重点测试时,结果为阴性。

分析结果令人困惑,土壤样本确确实实出现与地球上的光合作用相吻合的读数,也被发现可能是微生物造成的氧气和二氧化碳释放的痕迹,但探测器携带的有机物分析仪器却检测不到生命迹象。

科学家们认为此次探测到的诸多现象更像是化学反应而非生物反应。虽然海盗号并没有在火星上发现确凿的生命迹象,但它启发人们深入思考生命的定义,开启了“我们是否采用了正确方法寻找火星生命”的讨论。

海盗1号照片

虽然海盗1号和2号探测器的主要任务于1976年11月结束,但由于它们的设备良好,能源供给平稳,因此地面控制中心人员决定都它们的任务进行拓展,分别延长任务到1978年5月和1979年7月。随后,海盗1号轨道器的勘测任务也从1979年7月延长到1980年7月。

海盗1号登陆器不愧是长寿命的探测器,一直工作到1982年11月11日,而且每天(后来每周)发回探测数据。如果不是因为地面控制中心人员发送了错误指令导致通信中断,它可能还会工作更长时间。

海盗号轨道器在拍摄了更多高分辨率的火星和它的两颗卫星图像后,因姿态控制系统推进剂耗尽,于1980年8月7日关闭,此时它已环绕火星飞行了1489圈。

海盗1号拍摄的火星“人脸”

美国行星学家卡尔·萨根是海盗探测器科学团队成员

海盗2号于1975年9月9日发射。9月19日成功中途修正后,海盗2号在1976年8月7日发射近一年后进入环绕火星的轨道。初始轨道参数为1502×35728千米,倾角55.6°。

海盗2号

与海盗1号一样,原始着陆地点的照片显示地形崎岖,促使任务规划人员在极地冰盖边缘附近的乌托邦平原选择一个新的地点,预计在那里找到生命迹象的可能性更大。

海盗2号着陆器乌托邦平原照片

1976年9月3日美国东部时间20时19分,着陆器与轨道器顺利分离,进入大气层后,于22时37分50秒安全着陆,距离海盗1号的着陆点约6460千米。地理坐标为北纬47.97°,西经225.71°。

海盗2号着陆器拍摄的火星表面

该地区的照片显示,该地区的岩石比海盗1号着陆点地形更崎岖不平,着陆器实际上向西倾斜了8.5°。

全景照片显示这里的地形不同于海盗1号的着陆区,很难找到清晰、精确的地平线特征。由于缺乏一般性地形参考系,利用海盗2号轨道器拍摄的图像无法精确定位着陆器。

海盗2号着陆器

从9月12日开始的三次收集土壤的生物学实验得出了与海盗1号相似的结果,也就是说,对于火星表面是否存在或曾经存在生命的问题没有定论。

科学家认为火星土壤中含有紫外线轰击土壤产生的反应物,这些反应物可以产生地球土壤中生物的特征。

1976年11月16日,宇航局宣布,海盗1号和海盗2号任务均已成功完成任务目标,并宣布延长任务期限至1978年5月,随后又将任务延长到1979年7月。

海盗2号轨道器继续执行成像任务,并于1977年5月接近火星的卫星火卫二,最近距离28千米。

海盗2号轨道器拍摄的火卫二

2001年7月,海盗2号着陆器被重新命名为杰拉尔德·索芬纪念站,索芬是海盗计划项目科学家,他于2000年逝世。

两个海盗号轨道器总共发回了52663张火星图像。利用这些照片,科学家绘制了约97%的火星表面地图,分辨率达300米。着陆器共发回了4500张两个着陆点附近的照片。

火卫一照片

美国火星探测的第一阶段,以两颗海盗号探测器完成其使命而宣告结束。这一阶段美国完成了火星探测掠、绕、落三大成就。

海盗计划是火星探测史上最昂贵的计划之一,共耗资10亿美元,但获得的成果也举世瞩目。

通过轨道器拍摄的图像,人类第一次看清火星表面分布的巨大峡谷,被液体侵蚀的火山边缘,以及仿佛深陷在泥沼里的环形山,种种迹象似乎都预示着火星表面曾经有液态物质存在。

这极大地激发了人类对于火星进一步探测的好奇心。两个着陆器拍摄了火星全景照片、火星的日落、火星上同一岩石数年间的变化。

海盗号探测器还对火星土壤、大气、地震等进行了探测,发现火星的成分与地球上发现的某些陨石几乎相同。这表明地球上发现的一些陨石最初可能来自火星。

海盗1号还进行了广义相对论验证实验并取得了成功。该计划对火星上是否曾存在生命的问题没有取得实质性结果,仍然需要后续计划进一步探索。

海盗计划结束后,苏美两国航天活动的重点都是研制航天飞机。竞赛意识的极大削弱,使两国月球、火星乃至行星探测的热情急剧下降。

进入80年代后,美国和苏联都制定了有限的深空探测计划。由于技术和其它方面的原因,这些计划执行的时间大大地拖延了。直到80年代末,有些计划才逐步得以实施,下周继续为大家分享80年代末到90年代火星探测的简史,敬请关注。

免责声明:本文转自科技导报,原作者李成智。文章内容系原作者个人观点,本公众号转载仅为分享、传达不同观点,如有任何异议,欢迎联系我们!

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转自丨科技导报

作者丨李成智

编辑丨翟丽影

研究所简介

国际技术经济研究所(IITE)成立于1985年11月,是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构,主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题,跟踪和分析世界科技、经济发展态势,为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号,致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。

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