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本刊記者/彭丹妮

5月15日早上8點20左右,中國火星探測任務“天問一號”的火星車祝融號確認著陸在火星表面。這將是中國火星探測史上的一個歷史性時刻,因為它意味著中國成為美國、俄羅斯以外,第三個實現登陸紅色星球的國家。火星著陸是探測任務中最凶險最困難的一關,也是失敗率最高的階段,整個過程被稱為“恐怖七分鐘”。

1962年9月,肯尼迪發表了一段被後來人稱之為“月球演說”的演講。在這次演講中,他放出豪言壯語——美國要在20世紀60年代結束前把人送上月球,這被看作美蘇月球競賽的挑戰書。2010年,在肯尼迪航天中心的一次演講中,奧巴馬宣佈,美國要在2030年代將宇航員送往火星。他說,“我們已經為美國太空事業的下一篇章設定了一個明確的關鍵目標。”

奧巴馬的“火星演說”,標誌著人類對火星的探索進入了一個新的時期:亦即載人登火。但彼時,中國尚未真正意義上地參與過火星探測。這一年,孫家棟、戚發軔、龍樂豪、徐匡迪等八位院士聚在一起討論,希望儘早開展火星探測工作,國防科工局隨即開始組織相關的論證。

國家航天局原局長欒恩傑曾在2016年撰文寫道,中國原本有能力在2013年實現火星探測,但由於多種原因,當時沒能實現。“但人類探索火星的第三個時期我們趕上了,我們不應失去這個機會。”

在2020年7~8月的火星探測視窗,中國首個火星探測任務“天問一號”發射,就在前後幾天,阿聯酋“希望號”與美國“毅力號”也分別出發了。“希望號”僅僅是環繞火星以研究火星大氣,但“毅力號”卻絕對是“天問一號”的競爭對手。中美火星任務將會在科學探索上較量,也都會為將來在火星取樣、載人登火等更長遠的賽道上競爭打個頭陣。

火星探測競賽史

火星上第一個來自人類的物體,是1971年12月蘇聯發射的“火星3號”,但它在著陸僅20秒後就迅速失聯,連拍攝的第一張火星照片都沒能傳全。直到4年後的1975年,美國發射的“海盜1號”和“海盜2號”著陸器,才真正成功地著陸並開展了工作。

1960年代,在人造地球衛星和月球探測器發射不久後,人類就開始了遙遠的火星探測之旅,它最初是作為一種體現政治優越性的象徵而存在的。在美蘇太空爭霸的大背景下,1960~70年代,兩個勁敵互不放鬆,步步制衡,然而,就像“火星3號”的命運一樣,蘇聯勢頭強勁,但其發射的20多個火星探測器基本以失敗告終。

“火星對俄羅斯人來說算是一個墳墓”,業內專家這樣形容說,而美國不僅成為那場競賽中的絕對贏家,一直到今天,美國無疑都是全球火星探測領域最富有經驗和成果的國家。

1964年11月28日,美國“水手4號”探測器在火星外面掠過,拍攝了火星表面的第一張特寫照片。1969年初,美國又發射了“水手6號”和“水手7號”,發回了一些資料,且向地面傳送了200張火星照片。

在1971年的發射視窗,美國和蘇聯迎來了激烈的“火星爭奪賽”。在短短21天裡,美蘇相繼發射了5顆火星環繞器。最終,美國國家航空航天局(NASA)後出發的“水手9號”卻率先到達,於1971年11月14日進入環火星軌道,成為人類第一個火星環繞器。自此,人類終於可以駐留在火星附近長期觀測了。

“水手9號”、“火星2號”與“火星3號”抵達火星時,恰好趕上火星沙塵暴。只有“水手9號”迅速調整了狀態,堅持到了沙塵暴平息,最終獲得了遠優於其它兩個探測器的探測成果。僅就拍照這一項,水手9號就拍攝了並傳回了7000多張火星表面照片,利用它發回的資料,科學家繪製了火星85%的地圖。

早在19世紀晚期,人們通過望遠鏡就可以直接看到火星表面的特徵。當時的科學家們發現火星上有很多溝渠一樣的形狀,人們興奮地認為,這是當時火星文明挖出來的一些類似運河的東西。然而,“水手”系列探測器傳回來的關於火星大氣和表面的更為詳細的資料,打破了這一廣泛持有的觀點。這些資料揭示了火星真正引人注目的特徵:它擁有太陽系中最大的火山,沙塵暴經常橫掃過它的平原,以及這裡有迄今為止發現的最大峽谷之一——與美國大陸一樣長的峽谷。

1975年8~9月,美國兩個先進的“海盜號”火星探測器發射,實現了早期火星探測三部曲的最後一部——火星軟著陸。“海盜1號”著陸器發回的全綵圖片讓人們意識到,這是個空曠、貧瘠、亂石遍佈的星球,富含鐵元素的土壤因為氧化而顯得一片橙紅。

“海盜計劃”是人類火星探測史上最昂貴的計劃之一,共耗資10億美元,但獲得的成果也舉世矚目。進入1980年代後,隨著蘇聯解體、太空競賽意識的極大削弱,使兩國月球、火星乃至行星探測的熱情急劇下降,美國這一時期將重點放在空間站的建設。與月球探測類似,火星探測一度進入了約20年的沉寂時期。

欒恩傑將早期這段歷史看作是技術能力實現期,主要驗證了飛掠、環繞、踏足火星的工程先進性。但在1992年之後,科學目標開始決定火星探測的設計、儀器搭載等等。“從1992年開始,我覺得才是真正以科學驅動的新一波火星探測熱潮。”中國國家天文臺行星科學家鄭永春在接受《中國新聞週刊》採訪時也表示。繼美國和蘇聯後,上世紀90年代,日本、歐洲和印度也相繼加入火星探測行動。

從1992年開始,以美國“奧德賽”號與歐盟“火星勘探軌道器”為標誌的一系列環繞、落火、就位探測、火星車巡視探測,包括“火星快車”、“機遇號”、“勇氣號”、“鳳凰號”和“好奇號”任務等,都在普查的基礎上,聚焦某些有限的重點科學研究專案進行探測。

比如,2018年美國NASA的“洞察號”著陸器,攜帶了火震儀和熱流檢測儀等儀器,目標是探索火星的內部結構、熱狀態、自轉變化等地球物理性質,堪稱火星上的第一位“地球物理學家”。


中國的“彎道超車”

火星環繞太陽一週的時間則需要687個地球日。公轉週期的差別導致地球和火星之間距離時刻處於變化中,從5500萬千米到4億千米不等。二者每約780天(26個月)才會合一次,此時兩顆行星距離達到最近。

算好時間,在距離最近的時候抵達火星,可以縮短耗時,節省燃料,從而降低火星探測成本。也就是說,火星探測每隔26個月才有一次發射視窗。但是,當失去蘇聯這一競爭對手後,在許多個探測視窗期裡,只有美國NASA的火星探測器一枝獨秀。

到了2018年,全球已經開展了44次火星探測任務,其中美國21次、蘇聯/俄羅斯19次。但是,在這幾十年裡,中國一直都不是牌桌上的玩家——期間除了一次失敗的嘗試。

2007年,中國和俄羅斯簽署了“螢火一號”任務。中國首顆火星探測器“螢火一號”搭載俄羅斯“福波斯-土壤”探測器發射。中俄聯合火星探測器副總設計師陳昌亞當時透露,之所以與俄羅斯合作,一方面是中國希望發展自己的技術,一方面是俄羅斯希望找一個夥伴。在火星探測上,當時中國雖然也具備了到達火星的能力,但在通訊能力上還有不足。

2011年11月9日,“福波斯-土壤”發射,因為變軌不成功在地球大氣層中墜毀,“螢火一號”計劃也隨之夭折。進入21世紀,全球共實施了14次火星探測任務,這一階段,絕大多數火星任務都成功了,但唯獨俄羅斯的“福波斯-土壤”沒有躲過厄運。

被譽為“嫦娥之父”的中國科學院院士歐陽自遠指出,根據國際深空探測的發展歷程,各國一般在開展首次月球探測後的2年~3年內即開展首次火星探測。即便是印度,也在2008年首次探月後,在2013年發射了最省錢的火星探測任務“曼加努安號”。2014年9月,該探測器成功進入火星軌道,成為繼美國、俄羅斯和歐洲後,第四個成功探火的國家。

在“螢火一號”出現意外後,中國決心自主開展火星探測任務。有專家總結,中國要想實現自主深空探測,除了探測器這個“主角”,還要解決運載火箭推力不夠的問題,並織起更強大的深空探測網。但歐陽自遠曾對媒體表示,中國自主火星計劃因各種非技術原因遲遲未能立項,多次錯過了探測火星的視窗。

2007年10月,“嫦娥一號”月球探測衛星在西昌衛星發射中心成功發射。之後,歐陽自遠與探月工程總設計師孫家棟院士及相關工程系統的專家曾向有關部門建議:“嫦娥二號”不要去探月了,改為火星探測器。“我們曾組織專家進行了可行性論證,結論是2009年具備發射火星探測器的條件。很可惜,這一建議未被採納。”歐陽自遠說。

專家們給出的第二個時間點是2013年。但最終立項,又晚了3年。

根據國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言等人在論文中所指出的,2010年8月,孫家棟等八名院士聯名向國家建議,開展深空探測的綜合論證,專家組提出力爭2013年發射,國防科工局立即組織專家組開展了發展規劃和實施方案論證,經過三輪迭代和深化,於2016年1月正式立項實施。

2018年,是火星專案正式立項後的第一個視窗期。運載火箭是深空探測活動的基礎保證,但在2017年,“長征5號”發射任務失利,該火箭直徑達到5米,被稱為“胖五”,是中國目前技術最複雜、運載能力最大的新一代火箭,承擔火星探測、探月三期工程以及“天宮”空間站建設等一系列重大任務。

“天問一號”有效載荷系統負責人王赤曾參與過中國“螢火一號”衛星專案,他說,現在中國已經有了自己的長征五號大型運載火箭,也建設了自己的深空測控網,終於可以完全依靠自己來開展火星探測專案。

到了2020年的發射視窗期,中國終於加入到這場火星競賽中來了。這一年7月23日12時41分,中國“天問一號”探測器,在海南島東北海岸中國文昌航天發射場,由長征五號遙四運載火箭發射升空,火箭飛行約36分鐘後,成功將探測器送入預定軌道。

2015年初的時候,歐陽自遠曾推算,即使從當時那個時間點開展研製,根據航天工程的研製週期,到首次火星探測任務的發射,還需要大約5年左右的時間,即2020年,那時,距離中國首次探月已經過去了12年多。

作為對這種起步晚的彌補,業界專家們達成的共識是,要想縮小國際差距,只能三步並作一步走:“隨著我國航天技術的進步和對火星表面瞭解程度的加深,直接跳過單純環繞探測階段,將環繞探測與巡視探測相結合,是我國高起點開展火星探測的理性選擇。”歐陽自遠曾表示。

這便是“天問一號”專案一直在提的一次實現“繞、落、巡”,環繞、著陸、巡視。航天五院深空探測和空間科學首席科學家、中科院院士葉培建則直接點出,中國首次火星探測任務實為“彎道超車”。

成敗在於著陸,只有一次機會

如今,NASA的兩個探測器還在火星表面活動:“洞察號”正在探測火星的內部,並揭示了“火星地震”經常使其表面震動;2012年發射的“好奇號”火星車仍在蓋爾環形山附近繞圈、瘋狂自拍,研究環形山古老湖床上的岩石和沉積物。

與此同時,一些繞行器正在從火星軌道上傳來資料:包括NASA的MAVEN軌道器、火星偵察軌道器和奧德賽軌道器;歐洲空間局的“火星快車”和“火星微量氣體任務衛星”以及印度的火星軌道探測器“曼加里安號”。現在,它們將迎來新的夥伴。

2021年5月15日,中國的“天問一號”成功登陸火星的烏托邦平原。

自1960年代以來,在被派往火星的近50個航天器中,到目前為止只有五位選手,包括最新的“毅力號”在內,成功在火星表面著陸並巡視過,它們全都來自美國。儘管嚴格來說,1971年抵達火星的蘇聯“火星3號”才是第一個成功軟著陸火星表面的探測器,但它在著陸僅20秒後就迅速失聯,沒能順利開展探測工作,連拍攝的第一張照片都沒能傳。“天問一號”攜帶的火星車“祝融號”的成功著陸,讓它成為繼蘇聯、美國後第三個實現該技術的國家。

在太陽系中,地球和火星都位於科學家所分析的“宜居帶”中。因此,探測火星一直都是在為尋找“第二個地球”作準備的。具體而言,人類探測火星最主要的目標,就是尋找水和生命。

美國的探測器先是發現了火星上水冰的存在,緊接著,2014年12月16日,NASA宣佈,“好奇號”火星車檢測到火星大氣中含有極微量的甲烷。大部分甲烷都是由微生物產生的,因而,在火星上觀察到的季節性甲烷變化可能也是火星微生物作用的結果。

在尋找生命的賽程裡,“毅力號”接下了“好奇號”的接力棒, 但它要做的更多。北京時間2021年2月19日凌晨,“毅力號”在耶澤羅隕石坑降落,之後將會在這裡開展長達兩年的探測任務。

與“毅力號”較為聚焦的科學目標相比,因為中國是首次開展火星探測,因此,幾個科學目標都要一起完成,歐陽自遠總結,中國火星探測計劃是“要建立中國的火星全球資料庫”。這包括三個層面:第一,完成火星全球地形、地貌、土壤和岩石的成分的勘測,研究火星演化史;第二,監測火星全球環境,包括火星電離層、磁場、氣象變化等;第三,探尋火星生命或曾經存在過生命的遺蹟。其中,尋找火星地表和地下是否存在水冰是最重要的科學目標。

在技術上,著陸是“繞、落、巡”三步中最困難的部分。“天問一號”探測任務總設計師、中國探月與航天工程中心總工程師張榮橋介紹,在被稱為“恐怖七分鐘”的時間內,探測器需要從每秒4.8公里的速度“急剎車”到零,忍受上千攝氏度的高溫,然後採用四段進行減速。

“這次(火星)任務最核心、最難的地方,就是探測器進入火星大氣後氣動外形和降落傘減速的過程,並且只有一次機會,必須成功。由於地球與火星距離遙遠,整個過程無法由地面實時控制,必須依靠探測器自主完成。”孫澤洲說。

“天問一號”有效載荷系統負責人王赤曾表示,“天問一號” 是沒有備份星的,所以如果這一次失敗了,中國不太可能在兩年之後重複同樣的任務。

未來誰能先把火星碎片帶回地球

目前,尚沒有一個著陸器接近於完成非常關鍵的一步:將火星上的少量原始碎片帶回地球,以便研究人員可以使用探測器上無法安裝的實驗室裝置來研究它們的生物跡象。但現在,這一任務已經提上日程。

NASA火星任務資深參與者馬特·華萊士期望,“毅力號”的底線目標,是在一個火星年中至少收集20個樣本。然後等待2026年或2028年發射的一個樣本回收著陸器和一個地球返回軌道器將其帶上並返回——該火星首次取樣任務預計將最早於2031年實現。

這一時間點與中國的計劃接近。“天問一號”能實現環繞和登陸火星表面開展探測,但尚無法把火星樣品取回來。中國航天科技集團五院黨委書記趙小津透露,中國計劃於2030年前後實施火星取樣返回、木星系探測等任務,並開展關鍵技術研究,推動深空探測工程實施。

火星是美國整個探測計劃裡面非常重要的一個類別,並且優先順序越來越高。2010年,奧巴馬提出美國航天新計劃,終止布什政府提出的國家載人航天飛行專案,將目的地改為火星和小行星。10年後,NASA前局長吉姆·布里斯登廷在2020年財年預算聽證會上宣佈,為了實現這一載人登火的巨集願,美國計劃邁出的第一步是重返月球,為抵達火星做準備。

鄭永春說,在NASA近幾年兩三百億的年預算中,花在火星任務的經費應該佔約1/3~1/2左右。一個“好奇號”都花了26億美元,“毅力號”至少也要花這麼多,其它小行星任務,只是幾億美元級別。“載人航天這類可以交給商業公司做的事情,NASA在慢慢退出了,政府重點就是火星探索這類科學價值大又沒有商業利潤的任務。”

有學者將近10來年的太空競爭格局稱為“太空2.0”時代。與第一次太空競賽相比,私營的、商業的、非美國主導的政府參與者入場,使得太空領域的玩家越來越多樣,新的太空競賽,比拼的是誰的模式、方法更優。

奧巴馬政府時期的NASA前局長查爾斯·博爾登在接受《中國新聞週刊》採訪時指出,NASA現在開始使用一種新的模式:和商業機構共同投入資金,NASA提供基本理念、思路,之後由商業機構提供設計方案,我們挑選最符合我們目標的方案,然後讓他們用各自的方式去完成。

王赤在接受媒體採訪時指出,美國的火星探測有穩定、長期的規劃,每一步都有非常明確的路線圖。“我們確實缺少長期規劃,也缺少穩定的科學研究人才隊伍……必須培養出一批優秀的行星科學研究者,在未來幾十年中持續、穩定地推動我國的行星科學研究。”

中國探月工程總設計師吳偉仁在2019年4月份接受《國家科學評論》採訪時指出,如果將嫦娥工程的總投入平均到工程實施的這十幾年中,年均投入額只佔中國年GDP的萬分之零點三,和美國“阿波羅計劃”等專案相比,這樣的費用水平並不高。

但中國的太空探測,還是以政府主導。“月球和深空探測工程是國家意志,也是人類尋找地外生存空間的必由之路,所以政府一定會持續支援。”他說。



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