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        火星探測極簡史

        2021-12-01 02:59:34鄭永春
        科學(xué) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:火星車著陸器火星

        在夜空中,有時會看到一顆亮度變化無常的小紅點緩慢移動,有時候甚至還會逆行,這就是火星。中國人覺得它熒熒如火,讓人困惑,把它叫做熒惑?!妒酚洝分杏涊d著熒惑守心的天象,認(rèn)為火星行至心宿二附近時,意味著災(zāi)難。在西方,不管在北歐神話、羅馬神話還是希臘神話中,火星都代表著戰(zhàn)爭和災(zāi)難,稱為戰(zhàn)神。對這顆紅色的星球,地球人普遍感到恐懼不安。

        望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明和科學(xué)的進(jìn)步,破除了火星的神話色彩。1543年,哥白尼(N. Copernicus)提出,火星是繞太陽運行的,不是繞地球運行的。1609年,開普勒(J. Kepler)宣布,火星的公轉(zhuǎn)軌道不是圓形,而是橢圓。1610年,望遠(yuǎn)鏡發(fā)明的第二年,伽利略(G. Galilei)把它對準(zhǔn)火星。

        當(dāng)太陽、地球、火星在一條直線上時,火星與地球之間的距離最近,稱為火星沖日,是最佳的觀測時機(jī)。1659年,惠更斯(C. Huygens)繪制了第一幅火星地圖。1877年的火星地圖上的一些直線,被認(rèn)為是火星運河,由此引發(fā)了持續(xù)上百年的火星熱。通過觀測,天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了火星的兩顆小衛(wèi)星,測定了火星的自轉(zhuǎn)周期,發(fā)現(xiàn)了南北極的極冠,繪制了一系列火星地圖。但望遠(yuǎn)鏡看到的圖像還是太模糊了,以至于產(chǎn)生了很多誤解。

        1957年,第一顆人造地球衛(wèi)星升空,開啟了航天時代。蘇聯(lián)1960年發(fā)射人類首顆火星探測器,揭開火星探測的序幕。截至2021年8月,人類共開展了47次火星探測任務(wù)(由于判斷標(biāo)準(zhǔn)不一,這一數(shù)據(jù)有所出入)。

        冷戰(zhàn)時期,美蘇競技

        冷戰(zhàn)時期,除了在載人登月上進(jìn)行激烈競爭外,美國和蘇聯(lián)也把火星作為競技場,掀起了火星探測的高潮。

        蘇聯(lián)先行一步

        1960年10月,蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上第一個火星探測器——“火星1960A”,不幸的是,它還未進(jìn)入地球軌道就宣告失敗了。4天后,蘇聯(lián)又發(fā)射了第二個探測器“火星1960B”,也遭遇了失敗。

        接下來,蘇聯(lián)發(fā)射的一系列火星探測器——“斯普特尼克22號”“23號”“24號”“探針2號”“火星1969A”“火星1969B”,接連失敗。直至1971年5月發(fā)射的“火星2號”,終于成功進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道,著陸器和母體分離后擊中火星表面,以粉身碎骨的方式成為火星上第一個人造物體。

        基于“火星2號”失敗的教訓(xùn),蘇聯(lián)于1971年5月28日發(fā)射的“火星3號”,首次實現(xiàn)了火星表面的軟著陸。遺憾的是,著陸后密封艙只傳回了20秒的電視信號,之后聯(lián)系就中斷了。然而,就是在這20秒中,它傳回了來自火星表面的第一張近距離照片!

        1990年前,蘇聯(lián)一共實施了17次火星探測任務(wù),但這些任務(wù)具有強(qiáng)烈的政治色彩,科學(xué)目標(biāo)得不到足夠的重視,因而獲得的科學(xué)成果有限。

        美國探火開始

        雖然美國比蘇聯(lián)晚4年發(fā)射火星探測器,但最終領(lǐng)先一步,獲得了火星探測歷史上的首次成功。

        1964年,美國發(fā)射了第一個火星探測器“水手3號”,未能成功進(jìn)入軌道。同年,美國發(fā)射的第二個火星探測器“水手4號”成功飛越火星,發(fā)回了寶貴的第一手資料。

        “水手4號”發(fā)現(xiàn),在過去30多億年中,火星上沒有顯著的地質(zhì)運動?;鹦菦]有全球性磁場,宇宙射線可以直達(dá)火星表面,這兩項發(fā)現(xiàn)顛覆了人們以往對火星的認(rèn)知。之前,人們一直猜測火星上有生命,甚至是高等智慧生物。但“水手4號”傳回的照片,粉碎了人們對火星文明的幻想。之后,人們對火星生命的研究就轉(zhuǎn)向了微生物。

        1971年5月,美國發(fā)射了“水手9號”,它成為第一顆環(huán)繞火星的人造衛(wèi)星。“水星9號”抵達(dá)火星時,遇到全球性的沙塵暴天氣,證實了天文學(xué)家之前提出的火星上存在“超級沙塵暴”的猜測。

        直到1972年,沙塵暴逐漸平息后,人類才看到了火星的全貌:河床、撞擊坑、巨大的死火山、峽谷、極地沉積物、冰晶云,還有皚皚的晨霧?!八?號”發(fā)回的照片中有疑似水流的痕跡,使人們重新燃起了對火星的興趣,期盼能發(fā)現(xiàn)生命跡象。

        之后,美國又發(fā)射了“海盜”系列探測器,專門用于探索火星上有無生物,該系列探測器由軌道器和著陸器構(gòu)成。

        “海盜1號”的著陸器于1976年7月成功登陸火星,傳回了火星表面的照片,人們發(fā)現(xiàn)這是一個空曠、貧瘠、亂石遍布的世界,富含鐵元素的土壤因為被氧化,而使火星地表呈現(xiàn)一片橙紅。

        有趣的是,“海盜1號”傳回的一張“人臉”照片引起了世界轟動,被誤傳為是火星人。當(dāng)然,所謂的火星“人臉”最后被證實是一座丘陵造成的光影錯覺。

        與“海盜1號”同款的“海盜2號”于1975年9月9日發(fā)射升空,1976年9月3日在烏托邦平原著陸,“天問一號”的“祝融號”火星車也登陸在這一平原?!昂1I2號”攜帶了探測溫度、磁場、風(fēng)速、風(fēng)向、X射線光譜等參數(shù)的科學(xué)儀器,地震檢波器觀測到了難得一遇的火星地震,為人類探索火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了新的方向。

        1990年代的火星探測先鋒

        1990年代,在蘇聯(lián)解體的背景下,全球共進(jìn)行了7次火星探測任務(wù),其中美國5次,俄羅斯和日本各1次。

        正是在這一時期,美國開始了系統(tǒng)性的火星探測計劃,其中1996年發(fā)射的“火星探路者”(Mars Pathfinder, MPF)及其攜帶的“索杰納”(Sojourner,也譯作“旅居者號”)火星車最具標(biāo)志性。

        “索杰納”是第一輛在火星表面著陸的巡視器——火星車,采用太陽能動力,行駛速度約60.96厘米/分鐘,慢得像蝸牛。雖然行走速度慢,但著陸器和火星車共發(fā)回了23億字節(jié)的信息,包括1.7萬張照片、15條對周圍巖石和土壤的化學(xué)分析數(shù)據(jù),以及有關(guān)著陸點的風(fēng)和氣象狀況的大量數(shù)據(jù)。觀測結(jié)果顯示,火星在早期歷史中的環(huán)境可能與地球相似,地表可能有液態(tài)水,大氣也很濃密。

        同年,俄羅斯發(fā)射了“火星96”,由于發(fā)動機(jī)故障,火箭第四級二次點火失敗,發(fā)射次日在地球大氣層中墜毀。

        1998年,日本發(fā)射了“希望號”(也叫“行星-B”)軌道器,原計劃2003年12月抵達(dá)火星,但地面與其聯(lián)系中斷,未能進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道。

        當(dāng)然,美國也有數(shù)次失敗的案例,1998年12月發(fā)射的火星氣候軌道器和1999年1月發(fā)射的火星極地著陸器都遭到了失敗。

        21世紀(jì),火星探測群雄逐鹿

        21世紀(jì)初至今,全世界共實施了14次火星探測任務(wù),這一階段火星探測的最大特點,是成功率顯著提高,除了俄羅斯的“火衛(wèi)一—土壤”號探測任務(wù)失敗外,其他任務(wù)基本上都取得了成功或部分成功。另一個特點是參與火星探測的國家越來越多,火星“找水”和搜尋生命信號成為這一階段火星探測的重點任務(wù)。

        美國火星任務(wù)

        在這一時期,美國發(fā)射了“奧德賽”軌道器、“機(jī)遇號”和“勇氣號”火星車、“火星勘測軌道器”、“鳳凰號”著陸器,以及“好奇號”和“毅力號”火星車,這些任務(wù)都取得了成功。

        美中不足的是,2018年11月登陸火星的“洞察號”,雖然成功安裝了地震儀,探測到了火星上的地震。但它的“鼴鼠”鉆探設(shè)備的鉆探深度一直停留在35厘米,2021年1月9日任務(wù)團(tuán)隊被迫宣布鉆探任務(wù)失敗。

        2020年的火星發(fā)射窗口,美國、中國、阿聯(lián)酋都發(fā)射了火星探測器,北京時間2月19日凌晨4時55分,“毅力號”以5千米/秒的速度進(jìn)入火星大氣,在超音速狀態(tài)下展開降落傘,隨后拋掉隔熱罩,通過空中吊車的方式,將火星車釋放到火星表面。

        憑借軌道器對火星表面的遙感探測、著陸器對著陸區(qū)的詳查、火星車的巡視探測,美國這些年發(fā)射的探測器取得了一系列關(guān)于火星的重大發(fā)現(xiàn):火星表面存在液態(tài)水,發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)古時期的湖泊遺跡,估算出火星土壤含水量,發(fā)現(xiàn)火星極光現(xiàn)象等。從大氣探測、到火星表面、再到內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測,幾乎實現(xiàn)了對火星的立體勘察,改變了人們對火星的認(rèn)識,為尋找生命痕跡提供了重要證據(jù)。

        歐洲頗有收獲

        歐洲在火星探測上起步較晚。2003年,歐洲空間局(ESA)發(fā)射了“火星快車號”探測器,軌道器運行正常,獲得了火星表面的遙感數(shù)據(jù)。它發(fā)現(xiàn)了海岸線的遺跡,在火星北極附近一個未命名的環(huán)形山底部,發(fā)現(xiàn)一片水冰;2004年,“火星快車”探測器發(fā)現(xiàn)了火星極光。

        但是,進(jìn)入火星大氣層的“獵兔犬2號”著陸器卻失去了聯(lián)系。原以為“獵兔犬2號”已經(jīng)墜毀,但沒想到的是,2015年,美國的“火星勘測軌道器”的遙感圖像顯示,它成功登陸了火星,但未能打開電池板,無法與地球取得聯(lián)系。失蹤了十多年的“獵兔犬2號”被找到也算是火星探測史上的離奇事件。

        2016年3月,歐洲和俄羅斯合作的“火星生物學(xué)-2016”(ExoMars 2016)發(fā)射升空,它包括 “微量氣體軌道器”和“斯基亞帕雷利號”著陸器[斯基亞帕雷利(G. Schiaparelli),19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)火星上疑似運河痕跡的意大利天文學(xué)家]。2016年10月,軌道器成功地進(jìn)入火星軌道,但著陸任務(wù)再次失敗。

        多國加入探火隊伍

        2013年,印度成功發(fā)射了“曼加里安號”軌道器,這也是亞洲第一個成功的火星探測任務(wù)。這項史上成本最低的火星探測計劃,耗資僅7500萬美元,但功能確實也很有限。

        中國國家航天局也曾與俄羅斯聯(lián)邦航天局合作,2011年,“螢火一號”火星探測器搭載俄方火箭發(fā)射,但因發(fā)射失敗,“螢火一號”與俄方的“火衛(wèi)一—土壤號”探測器一起墜入太平洋。

        2020年7月20日,阿聯(lián)酋發(fā)射了阿拉伯國家的首個深空探測器——“希望號”火星探測器。這項任務(wù)使用日本H-2A火箭發(fā)射升空,由美國提供技術(shù)支持。阿聯(lián)酋方面的目的也很明確,就是先當(dāng)學(xué)生,學(xué)好技術(shù)將來自己干。

        除以上任務(wù)外,還有大家熟知的馬斯克(E. Musk)主導(dǎo)的太空探索技術(shù)公司,也提出了龐大的火星計劃,并研發(fā)了星艦,用于將來飛向火星的旅行。但很明顯,馬斯克的火星計劃具有強(qiáng)烈的商業(yè)色彩,離真正實施火星移民還有漫長的路要走。

        中國后發(fā)趕超

        火星探測工程是中國行星探測計劃的第一步,于2016年1月11日正式立項,2020年4月24日中國航天日期間被正式命名為“天問一號”。中國將通過一次發(fā)射,實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項任務(wù),采用這種“一舉三得”的探測方式,起點高、挑戰(zhàn)大,作為世界上第2個成功登陸火星的國家,我國的深空探測能力和水平得到了顯著提升。

        2020年7月23日中午,筆者親眼見證著在長征五號運載火箭托舉著“天問一號”從海南文昌航天發(fā)射場起飛,成功進(jìn)入太空后,通過數(shù)次變軌,于2021年2月10日抵達(dá)火星,成為環(huán)繞火星的人造衛(wèi)星。在接下來的三個月里,“天問一號”通過遙感探測,進(jìn)一步確定了著陸點的地形和氣象條件,為著陸火星做好準(zhǔn)備。2021年5月15日早晨,與“天問一號”軌道器分離后的著陸巡視組合體,穿過火星大氣層,通過一系列的減速動作,成功登陸火星。組合體剛進(jìn)入火星大氣層的時候,時速高達(dá)2萬千米/小時,在短短的9分鐘內(nèi),減速到零。如果減速不夠,就會墜毀在火星表面,歷史上俄羅斯數(shù)次登火失敗,歐洲兩次登火失敗,都發(fā)生在這一階段。

        “天問一號”先是通過大氣摩擦減速,當(dāng)減速到1656千米/小時時,打開降落傘,利用稀薄的大氣進(jìn)一步減速。然后拋掉隔熱罩,測量地表高程,當(dāng)減速到342千米/小時的時候,7500牛變推力發(fā)動機(jī)點火,實現(xiàn)空中懸停。最后通過著陸墊和伸縮桿緩沖從高處落下的勢能,穩(wěn)穩(wěn)地著陸在火星表面。中國成為世界上第二個成功登陸火星的國家,這一成就值得我們每一個中國人感到驕傲和自豪。登陸火星全程只需9分鐘,但地球到火星的距離達(dá)3億多千米,地面發(fā)出的遙控指令要17分鐘才能抵達(dá)火星。這意味著,“天問一號”只能自主判斷,闖過這道鬼門關(guān)。

        2021年5月22日,“祝融號”火星車駛離著陸平臺,在火星表面刻下了中國的印記。“祝融號”登陸的地方,位于火星上最大的盆地——直徑達(dá)3300千米的烏托邦平原。它攜帶了6種科學(xué)儀器,用來探測地形地貌、表面物質(zhì)成分、地下水冰、磁場和氣象狀況。

        今后,我們將通過“祝融號”,看到火星上的奇特景象,例如藍(lán)色的夕陽,渺小而珍貴的地球,這些都會激發(fā)我們的好奇心,重新思考人與地球的關(guān)系。

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        [3]松堂. 那些年, 去過火星的“探路者”們. 太空探索, 2018(8): 34-39.

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        [9]鄭永春, 火星零距離. 杭州: 浙江教育出版社, 2018.

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        [11]張揚眉. 世界火星探測一覽表. 國際太空, 2020(8): 49-50.

        關(guān)鍵詞:火星 火星探測任務(wù) 軌道器 著陸器 火星車 ■

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