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火星探测知多少

2020-02-24 07:10:52 《百科知识》 2020年4期

沈羡云

2019年11月,国家航天局首次公开了我国火星探测任务。根据计划,我国将在2020年7月发射火星探测器,开展火星全球性和综合性探测。火星的探测将实行轨道器加火星车的联合探测方式,预计经过10个月飞行,探测嚣将于2021年到达火星,并进行巡视探测。2028年左右将进行第二次火星探测,并在采集火星土壤后返回地球。

此前,只有美国在一次火星任务中同时完成“绕”和“落”,欧洲曾两次尝试“绕”和“落”,最终都没有成功实现“落”。而中国计划在首次的火星探测任务中,挑战性地一次完成“绕”(对火星全貌进行观测)、“落”(在火星降落)、“巡”(在火星上巡视探测),其难度是非常大的,在航天史上也是史无前例的。

2020年,全球多个火星探测器已经整装待发。今年可能是史上最密集的火星探测期,已有5个国家宣布了“探火计划”。除中国外,美国计划发射新型火星探测车,欧空局计划发射ExoMars火星车,印度、阿联酋也计划 2020年向火星发送探测器。

人类为什么要探测火星

神秘的火星一直吸引着人类关注的目光,自从航天时代开始以来,世界各国已经向火星发射了40多颗探测器。人类为什么要探测火星?主要有以下几个原因:

1.求知欲是人类的本性

好奇心和求知欲是人类的宝贵本性,人类渴望更深刻地揭示大自然的奥秘。人类的这种欲望将永无止境。1877年,意大利天文学家斯基帕雷用望远镜发现火星上有许多细长的暗线和暗区,有人认为暗线就是运河,暗区就成了“湖泊”。有运河就有智慧生命的大规模活动。于是,一个多世纪以来,有关这颗红色星球上的火星人和火星生命的传说、猜测和探测不断出现,吸引着人们不断对它探索。

2.火星在许多方面与地球相似

在太阳系中,金星和火星是地球的近邻。但是,金星上的环境条件过于严酷,表面温度超过450℃,异常浓密的大气中充盈着硫酸液滴,探测器都无法在上面生存,探测和开发的难度很大。而被人们称为“袖珍地球”的火星,在许多地方与地球十分相似:火星自转一周是24.66小时,昼夜只比地球上的一天多40分钟;火星自转倾斜角也和地球相近,所以火星上也有春夏秋冬四季的气候变化;火星上还有大气层。因此,火星有望成为继月球之后人类的又一块新大陆。

3.科学探索的需要

根据科学家的研究,太阳系的八大行星中,只有火星有可能存在生命信息,因为火星有许多与地球相似之处。

研究火星的另一个目的是研究火星是如何形成、演化的。因此,研究火星同时也能加深我们对于地球和太阳系起源和演化的认识,这是一个值得永远探索的基本问题。同时,大约40亿年以前,火星与地球气候相似,也有河流、湖泊甚至可能还有海洋,未知的原因使得火星变成今天这个模样。探索火星气候变化的原因,对保护地球的气候条件具有重大意义。同时,火星上也有一个臭氧层空洞,研究火星有助于了解地球臭氧层空洞消失对地球的影响。

4火星探测可实现

火星距离地球比较近,方便探索,在工程上也更易实现。探测器只飞行7~10个月,就可从地球到达火星,基于人类现有的航天能力,任务周期比较合适。其他一些星球虽然也有生命的可能性,但距离地球太远,实现探测有困难。例如,航天器对木卫二的探测表明,它的外壳冰层下可能有海洋,有了海洋就意味着其中可能有生命存在。但是,要实施一项远赴木卫二展开考察的项目,光是将探测器送达目的地就需要耗费6年时间,而相比之下好奇号火星车的单程路程仅需要7~10个月。同时,进行火星探测所花费的金额相对较少。例如,与其他太空项目上花费的金钱相比,美国在火星探测项目上只花了很小的一部分。

中国为什么要选择2020年探测火星

登陆火星并不是一件容易的事,地球和火星最近时,也有5600万千米的距离,是我们和月亮距离的140倍,想要靠火箭的动力突破这一距离,目前是不可能的。因此,我們需要借助地球的公转速度,沿着一条连接地球与火星的椭圆形轨道,把探测器“甩”到火星,不过,需要合适的时机,才能实现这一过程,这样的时机被称为“发射窗口”。 这是因为地球和火星都是在自己的轨道上运行,当火星探测器离开地球轨道时,是沿着一条以太阳为焦点、近日点在地球轨道上、远日点在火星轨道上的椭圆航线飞往火星。只有当探测器到达远日点与火星轨道相切时,火星也正好运行到那里,探测器才能与火星交会,这是发射火星探测器最适宜的时候。在这个时间窗口发射火星探测器,不仅对运载火箭来说是最省能量的,同时,发射宇宙探测器的有效载荷也会相应增多。这种特定的时机和位置不是经常有的,每隔26个月才出现一次。2020年就将迎来一个窗口期,大约1个月。如果错过这一次发射窗口,就必须再等26个月才能进行下次发射。

火星探测的主要任务是什么

火星探测的主要任务是:

1.探测火星上的生命活动信息,包括火星上现在生命的信息、过去是否存在过生命、火星生命生存的条件和环境等。关于火星的种种遐想,总是被残酷的现实所取代,然而,还是有很多神奇的现象,等待更精确的解读。

2.对火星本体的科学研究,为研究火星积累资料,主要包括火星磁层、电离层与大气层的探测与环境科学,火星地形地貌特征与分区,火星表面物质组成与分布,地质特征与构造,火星内部结构、成分、内禀磁场探测等。

3. 探讨火星的长期改造与今后大量移民、建立人类第二个栖息地的前景,为人类社会的持续发展服务。

以上是所有火星探测的总任务,具体到每次探测,有自己的具体任务。

首次登陆火星难度何在

据有关报道,至今全球火星探测成功率大约为40%,火星因此有“航天器坟场”之称。那么登陆火星难度何在?

火星探测与月球探测最大的不同在于距离的悬殊。地月平均距离为38万千米,而地火最近距离为5500万千米,最远为三四亿千米。在进行探月任务时,嫦娥一号、二号实施绕月,嫦娥三号才实现软着陆,在前面发射成功的基础上,进行登月成功的可能性就大。但是,我国的首次火星探测则将一次性走完“绕”“落”“巡”三步,对科技人员的测控能力有极高的要求。有人比喻,让火星探测器精准着陆,相当于从巴黎击出一只高尔夫球,落在东京的一个洞里。

首先要解决运载火箭的难题,要让探测器脱离地球引力必须达到第二宇宙速度11.2千米/秒,这样才能确保探测器不奔向其他天体。而中国运载“嫦娥”火箭的速度只有10.9千米/秒。现在,我们已经有长征五号火箭,它为我国的火星探测提供最基本的条件。

其次是探测信号问题。探测器的信号对地面指挥尤其重要,没有信号就无法判断探测器是否进入轨道,也无法对探测器飞行做出调整。一旦捕获探测器的信号,就像听到新生婴儿落地的啼哭声一样。火星距离地球特别遥远,由于距离越远信号越弱,同时地球至火星的距离还带来至少10分钟的信号延时,在这种情况下,对它进行控制,就要采取一系列不同于以往任务的措施和技术,使它能够在火星表面完成既定的工作,同时要保证巡视器的安全。探测器进入火星轨道和着陆的那段关键时间,只能依靠研究人员提前输入的数据,由探测器进行自主判断,这增加了火星探测任务的难度。

探测火星时最危险的环节在于进入火星轨道和着陆两个阶段。什么时候“刹车”进入火星轨道、进入轨道的角度是多少,何时打开降落伞、何时切断降落伞,采用什么方式着陆……每个环节都不容有失,都需要精准计算。因此航天器着陆的7分钟被称为“恐怖7分钟”。

面对“火星探测”的种种难度,中国已做了大量准备工作 。首先,发射火星探测器需要大推力运载火箭,我国长征五号火箭已具备这样的能力;其次,针对超远距离的测控,我国已经建成深空测控站,并在嫦娥二号拓展任务中实现了超过1亿千米的测控;再次,探月取得的成功,为中国在着陆、巡视技术等领域奠定了基础。中国火星探测起步晚,但起点高,故效率也会比较高。所以,尽管很难,还是有信心的。

采用什么方法登陆火星

探测器穿过火星大气层降落到火星地面是任务中最令人担心的阶段,在通过火星大气层的短短7分钟时间里,要使探测器从2万千米每小时的高速和高热下变成零速度是一件很不容易的事情。为了安全到达火星,火星探测器着陆方式的选择是十分关键的,如果选择不当,前期的一切努力将化为灰烬。目前,探测器在火星的软着陆方式主要有3种:

一是气囊弹跳式

猎兔犬2号、海盗号(海盗1号和2号)、火星探路者号、火星漫游者(勇气号火星车、机遇号火星车)采用气囊弹跳式着陆方式:火星探测着陆器(或火星车)与轨道器分离后,进入火星大气层,打开降落伞,由降落伞带着以88.5千米每小时的速度飘向火星表面,并在着陆前数秒钟打开24个巨大的保护气囊。当探测着陆器(或火星车)在火星降落,在密封气囊的保护下,经过一番弹跳翻滚之后,在火星表面停了下来。然后气袋打开,火星车开动。此方式简单,成本低,只能满足重量小的探测器软着陆要求,而且着陆精度不高。

二是反推著陆腿式

凤凰号探测器采用此方式着陆:探测器在进入火星大气层时,依靠与大气的摩擦和释放降落伞来一次大减速,时速从2万千米骤降至8千米,快接近地面时再通过推进器点火制动,进一步减速,最终稳稳落在火星表面。此着陆方式复杂、成本高,可满足重量较大的探测器软着陆要求,着陆精度较高。

三是太空起重机式

美国国家航空航天局专门为好奇号火星车设计了一套复杂的着陆程序,首次使用一种被称作“太空起重机”的辅助设备助降:该火星车进入火星的大气后,将借助一个大降落伞把它的隔热板及后壳扔掉,以减慢下降速度。然后,再利用被称作“太空起重机 ”的推进器慢慢下降。“太空起重机”和好奇号组合体,在经过大气摩擦减速和降落伞减速后,“太空起重机”开启8台反冲推进发动机,进入有动力的缓慢下降阶段。当反冲推进发动机将“太空起重机”和好奇号组合体的速度降至大约0.75米每秒之后,几根缆绳将好奇号从“太空起重机”中吊出,悬挂在下方。距离地面一定高度时,缆绳会被自动切断,“太空起重机”随后在距离好奇号一定安全距离范围内着陆。太空起重机将利用电缆把好奇号放在火星表面,然后它会飞走最后坠毁。此方式最复杂,成本最高,技术最先进,可满足重量更大的探测器软着陆要求,能精确着陆。