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中国“天问一号”即将发射,2020火星年,围观各国火星探测计划

时间:2020-07-23 来源:钛媒体

  文 | 学术头条

  自古以来,火星就带有一种神秘、危险的色彩。

  在我国古代,火星因为行踪不定而被称为“荧惑星”,古书上有“荧惑守心,天责帝君”“荧荧之火,离离乱惑”等描述,甚至是旧时阴阳家禁忌的凶神之一。而在西方,火星曾被认为是战神玛尔斯的化身,科幻片中也从未缺少它的身影。

  火星在众多天体中脱颖而出,深受人们的“爱戴”,是因为它与地球的相近与相似,给予人们了无限幻想与好奇。

  火星上是否存在生命?更是成为人们长久以来渴望一探究竟的事情。

  从 1600 年,就有科学家开始使用望远镜对火星进行观测;而自上个世纪 60 年代,美国和苏联展开了火星探测器前往火星的竞赛,90 年代后更多的国家加入其中。由于前往火星的道路困难重重,许多探测器未能成功抵达火星就半路“夭折”。但是人类从未停下脚步。

  火星年“三缺一”

  2020“火星年”,新一轮火星探测的高潮,已经拉开帷幕。

  每 26 个月会出现一次“宝贵”的火星探测发射窗口期。

  火星离地球非常遥远,是月球与地球距离的数百倍,目前最先进的探测器从地球飞到火星,大约需要七八个月。而又因为地球和火星都在围绕太阳运转,两者的相对位置不断变化,所以当它们距离最近时,即太阳、地球和火星同处一条直线上,此时发射探测器更加“经济”。地球与火星的这个会合周期是 26 个月,所以

  2020 年有短短几周时间,太阳、地球和火星成一条直线,地球与火星之间的距离最短,不到 5400 万公里,是火星探测器发射的最佳时机,如果错过这种情况直到 2022 年才会再次出现。

  中国天问一号

  此前,已经公布了四大火星探测器发射计划,分别是、、(由日本 H-2A 火箭发射),以及。

  先行一步的是阿联酋的希望号,北京时间 2020 年 7 月 20 日凌晨 5 点 58 分,阿联酋首颗火星探测器“希望”号由日本运载火箭发射升空,发射地点位于日本的种子岛航天中心。

  而欧盟及俄罗斯的 ExoMars 2020 已经于三月中旬决定推迟到 2022 年发射,官网的名字也改为了 ExoMars2022,实锤成为“退群选手”。

  接下来,我们就详细盘点一下这四大火星探测计划——

  一号选手:中国-天问一号

  发射时间窗口:2020 年 7 月 20-7 月 25 日

  预计抵达火星轨道时间:2021 年 2 月 11 日-24 日

  预计着陆器登陆时间:2021 年 4 月 23 日

  来源:@央视新闻

  据报道,我国计划 7 月 23日,在海南文昌航天发射场用长征五号遥四运载火箭择机发射火星探测器天问一号。同步直播活动定于青海省海西州冷湖“火星营地”的冷湖实验室,进行异地发射直播和报道。本次直播也是冷湖实验室首次公开亮相。

  据了解,选择在青海冷湖火星营地的冷湖实验室报道天问一号发射,是因为冷湖火星营地是中国首个火星模拟基地,在这片”地球上最不像地球的地方,模拟出未来人类移居火星后的生存环境,并进行“火星移居”的课题研究。而冷湖实验室则是以 2040 年人类在火星和平谷地建设“火星移民先锋营地"为目标,以培养火星移民工程师为主题的跨学科学习平台。

  青海火星营地(图片来源:火星营地官网)

  天问一号是中国行星探测任务名称,该名称源于屈原长诗《天问》,表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着,体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承,寓意探求科学真理征途漫漫,追求科技创新永无止境。2020 年 4 月 24 日,中国行星探测任务被命名为“天问系列”,首次火星探测任务被命名为“天问一号”,后续行星任务依次编号。

  天问一号由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成,将一步完成绕、落、巡三步,这将是世界上首次探索火星即完成软着陆的任务。绕:轨道器环绕火星进行探测;落:着陆器软着陆于火星表面进行固定位置的地面探测、巡:巡视器(火星车)在火星表面进行不固定位置的巡视探测。

  它重 240 公斤,为毅力号的四分之一,大小相当于一辆小型高尔夫球车。火星车将携带 6 台科学仪器,其中一台为探地雷达(GPR),它和“毅力号”上的探地雷达将成为火星上的首批此类设备。探地雷达将帮助调查火星的地层、结构以及永久冻土或冰的存在。

  天问一号将需要 7 个月时间飞抵火星,几个月后才能释放着陆器。在缓慢脱离着陆器后,太阳能火星车预计将在火星上运行至少 90 天,并使用轨道飞行器作为通讯中继机。轨道飞行器将继续运行大约一火星年(约 23 个月)。

  此外,天问一号将使用我国独立的深空网,西安卫星测控中心喀什深空站、佳木斯深空站将为其提供全程测控支持。相比探月任务,对火星探测器最远将近 4 亿公里的探测距离,以及近 7 个月的地火转移时间,对测控通信系统而言将是前所未有的考验。目前两大该中心重点两个深空站的对频率综合系统、多功能数字基带、监视和控制系统设备软硬件进行升级,为执行相关任务提供更加稳定、强大的测控保障。

  二号选手:美国-毅力号

  发射时间:2020 年 7 月 30 日美国东部时间上午 7:50

  着陆时间:2021 年 2 月 18 日

  着陆地点:杰泽罗陨石坑

  美国的毅力号因为由于运载火箭突然出现的问题,截止与 7 月 1 日,已经计划推迟到 7 月 30 日之后发射。此前,已经推迟过两次发射时间。毅力号火星车的最终组装和测试仍在佛罗里达州肯尼迪航天中心进行。

  毅力号

  毅力号的设计基于 NASA 成功的火星科学实验室任务架构,包括其好奇号探测器和成熟的着陆系统,但再此基础上做了升级。它的任务不仅要寻找火星上远古宜居条件的迹象,还要寻找过去微生物生命本身的迹象。

  它引进了一种新的钻头,可以收集最有希望的岩石和土壤的岩芯样本,并将其搁置在火星表面的 "缓存 "中。这次任务还提供了收集知识和展示技术的机会,以应对未来人类远征火星的挑战。这些包括测试从火星大气中生产氧气的方法,确定其他资源(如地下水),改进着陆技术,以及描述天气、灰尘和其他可能影响未来宇航员在火星上生活和工作的潜在环境条件。

  毅力号身上总共安装了五款成像工具;首先是桅杆头上的 SuperCam(位于大的圆形开口中),其次是两个位于桅杆下方灰框中的 Mastcam-Z 导航摄像头。激光、光谱仪、SuperCam 成像仪将用于检查火星的岩石和土壤,以寻找与这颗红色星球的前世有关的有机化合物。两台高分辨率的 Mastcam-Z 相机能够与多光谱立体成像仪器一起工作,以增强毅力号火星车的行驶和岩心采样能力。

  三号选手:阿联酋-希望号

  发射时间:2020 年 7 月 20 日凌晨 5 点 58 分(已成功发射)

  预计到达时间:2021 年 2 月

  运载火箭:日本三菱重工研制的 H-IIA 火箭

  阿联酋之所以将首个火星轨道飞行探测器部署任务命名为“希望”(阿拉伯语 al-Amal),表达了作为传统战略资源国家渴望转型,开辟新的地外资源出路希望。

  为了保证研发的进度和发射速度,阿联酋选择了具有强大航天实力的美国和日本作为合作伙伴。

  希望号的研制工作,联合了美国科罗拉多大学博尔德分校、亚利桑那州立大学、加州大学伯克利分校,由 150 名阿联酋工程师与 200 名来自美国合作机构的工程师和科学家,合作完成。希望号探测器由阿联酋和美国科罗拉多大学波德分校联合研制,重 1.35 吨,大小与一辆轿车相仿。由两个太阳能发电板供电,总功率 1.8 千瓦,这和家用电水壶的功率差不多。探测器搭载有直径 1.5 米的高增益天线以及若干低增益天线。此外,探测器利用恒星跟踪定位仪来进行导航。

  希望号 (图片来源:MBRSC)

  此外阿联酋还选择了美国深空网(DSN)对火星探测任务的希望号航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网。

  在运转火箭方面,选择了日本三菱重工的 H-IIA 运载火箭。直径 4 米,高度 53 米,属于捆绑式两级火箭。火箭芯级采用氢氧发动机,外加 2 或 4 枚固体火箭助推器(根据执行任务不同进行调整)。近地轨道的运载能力为 10 到 15 吨,地球同步转移轨道的运载能力为 4 到 6 吨。它的运载能力与我国的长征三号乙火箭相当。

  希望号运行过程展示(图片来源:MBRSC)

  希望号上携带了三种先进的科学仪器,分别是 EMIRS:阿联酋红外光谱仪,EXI:阿联酋勘探成像仪以及 EMUS:阿联酋紫外线光谱仪。主要研究火星大气,并提供其完整的图片。通过描述火星的底层大气来了解气候动态和火星全球天气图,并将低层大气条件和高层大气联系起来,说明天气如何改变氢和氧的逸出。了解高层大气中氢和氧的结构和变异性,并确定如何损失到太空中的。

  四号选手:欧盟及俄罗斯-罗莎琳德·富兰克林

  欧盟及俄罗斯的 ExoMars 2020 已经于三月中旬决定推迟到 2022 年发射,官网的名字已经改为了 ExoMars2022,实锤成为“退群选手”。值得一提的是,这已经是 ExoMars 计划,第六次推迟了。

  罗莎琳德·富兰克林的主要任务是用钻头搜集并研究火星地表下最深两米的地质样品,和毅力号一样,希望可以寻找到可证明生命存在的生物分子或生物标记物。同时研究火星的水和化学环境如何变化和研究大气中的痕量气体及其来源。

  罗莎琳德·富兰克林(图片来源:ESA)

  ExoMars 最新任务时间线(图片来源:ESA)

  60年火星探测历程

  人类使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史。

  几乎就在人类刚刚有能力挣脱地球引力飞向太空的时候,第一个火星探测器也开始了它的旅程。虽然最早期的探测器几乎都失败了,但火星探测就是在一次又一次的失败中不断前进。

  60年代

  火星探测起步于 60 年代美苏的“太空竞赛”。

  1960 年 10 月 10 日,前苏联向火星发射了第一枚探测器。

  1962 年 11 月 1 日,前苏联向火星发射了火星 1 号,这枚探测器成功进入了前往火星的轨道,随后在到达火星的过程中失败。

  1964 年美国发射的水手 4 号,是第一个成功的火星探测器是。水手 4 号于 12 月 28 日发射升空,这是有史以来第一枚成功到达火星并发回数据的探测器,它向地球发回了 21 张照片,此后又在环绕太阳轨道上花费三年时间对太阳风进行探测。

  1969 年美国向火星发射了水手 6 号和水手 7 号。前者于 2 月 24 日发射升空,7 月 31 日抵达火星。后者于 3 月 27 日发射升空,8 月 5 日抵达火星。这两枚探测器携带有更先进的仪器和通讯设备,它们成功掠过火星,对火星大气成分进行分析,并发回了大量照片。

  70年代

  1971 年苏联发射火星 3 号成为了首颗在火星着陆的探测器,它只工作了 20 秒。

  1971 年 5 月 30 日,美国水手 9 号发射升空,这是有史以来第一枚成功进入环绕火星轨道的探测器,取得了空前的成功。水手 9 号于 1971 年 11 月 14 日到达火星,在火星轨道上工作了将近一年之久,发回了 7329 张照片,覆盖了火星表面超过 80% 的部分,同时还对火星的两颗卫星进行了探测。

  1975 年 8 月 20 日美国发射的海盗 1 号,是美国国家航空航天局维京号计划中两艘飞往火星中的第一艘,它花费 10 个月航向火星,轨道太空船在进入火星轨道前五天开始传回火星全球照片,成为全球首个能成功登陆火星的卫星。

  1975 年 9 月 9 日发射海盗 2 号,主要研究火星温度、磁场、风速、风向、X射线光谱,于 1976 年 8 月 7 日进入火星轨道。1976 年 9 月 3 日成功着陆于乌托邦平原。

  80-90年代

  从 1976 年此后的近二十年,火星探测都没取得新的进展,直到:

  1996 年,美国的火星环球侦测者号发射成功,这枚探测器持续工作了 10 年,直到 2006 年才失去讯号联络,它是最成功的火星探测任务之一。它利用所携带的一些专业仪器,进行海拔高度测量,科学家绘制了火星的地形图。

  1998 年 7 月 3 日,日本希望号火星探测器于发射升空,是日本第一个火星探测器,也使日本成为世界上第三个发射火星探测器的国家。日本火星探测器希望号在艰难地飞行了 5 年之后,最终于 2003 年 12 月 9 日被放弃。至此,日本的首次火星探测行动宣告失败。

  00年代

  时间进入 00 年代,欧盟和中国也加入火星探测的行列中。而美国在该时期迎来了火星探测“大爆发”,遥遥领先于其他国家。

  2001 年,美国奥德赛号,美国国家航空航天局的火星探测卫星,主要任务是寻找水与火山活动的迹象。

  奥德赛号

  2003 年,美国火星探测漫游者,这项计划的主要目的是将勇气号和机遇号两辆火星车送往火星,对火星这颗行星进行实地考察。勇气号在执行任务期间,曾首次找到火星上曾有水存在的证据,并从火星上拍摄到了地球的照片。而机遇号截至 2018 年 1 月 25 日,已在火星漫游 14 年多,取得了很大的成绩,并与 2019 年 2 月 13 日任务结束。

  2003 年,欧洲航天局的火星快车探测器发射升空。

  2005 年,美国火星勘测轨道飞行器,它的任务是将一枚卫星送往火星,以前所未有的照相机分辨率对火星这颗红色行星进行详细考察,并且为往后的火星地表任务寻找适合的登陆地点。

  2007 年,美国凤凰号火星探测器,凤凰号火星着陆探测器在着陆地点附近挖到的发亮物质是冰冻水,从而证实火星上的确存在水。这也是人类通过探测器在地球以外首次获得冰冻水样本。除此之外,“凤凰”号还首次发现火星降雪,还找到了火星上存在碳酸钙和粘土的线索。

  2007 年,欧洲航天局的“罗塞塔”彗星探测器靠近火星飞行,顺利完成利用火星引力调整飞行速度和轨道的任务。

  2007 年 6 月中俄正式签署合作协议,中国火星探测计划中的第一颗火星探测器萤火一号计划于 2009 年搭载俄罗斯的联盟号运载火箭发射,但计划推迟与 2011 年。

  10年代

  “太空竞赛”迎来了黑马选手-印度,美国继续保持强势的领先势头,中国重启火星探测计划。

  2011 年,美国好奇号火星探测器,好奇号发现了拍摄了大量火星日偏食,首次发现不明物似金属碎片,发现铁证证明火星上有水,发现火星有机物,测定岩石年龄为 38.6~45.6 亿年之间等。

  好奇号

  2011 年,中国的萤火一号由于俄方的福布斯-土壤号火星探测器变轨问题,发射失败。

  2012 年,印度总理辛格在宣布发射计划。

  2013 年 11 月 5 日,曼加里安号在斯里赫里戈达岛航天发射场发射升空。此次搭载火星探测器的极轨卫星运载火箭在飞行近 45 分钟后将“曼加里安”号送入地球周边的椭圆型轨道。2014 年 9 月 24 日,印度“曼加里安”号火星车成功进入火星轨道,印度成为全球第 4 个成功进行火星探测的国家或组织。

  2018 年,美国洞察号成功着陆,根据洞察号无人探测器提供的数据,美国航天局开始在网上发布火星每日天气报告,提供火星气温、风速、气压等信息。

  当前火星着陆点

  迄今为止人类向火星发射过的探测器

  火星探测的未来

  火星作为距地球最近的类地行星之一,是人类最想登陆的行星,也是目前人类最有可能移居的星球。火星探测是继月球探测之后深空探测的最大热点,是各大国争相逐鹿的新目标,是掌握太空探索的制高点。

  探索火星的过程,不仅仅是航天科技和深空探测水平的科技方面的巨大提升,更对人类文明的进程及探索宇宙与生命的意义有着非同寻常的影响。除此之外,也会产生一系列副产品与成果,实现大量的经济价值,使眼前的人类社会受益,其深远意义或将超过阿波罗登月。各大国都希望在火星探测中抢占前排席位,掌握主动权和话语权。

  除此之外,即使火星探测难度非常之大,在民营航天领域,热度也居高不下。Space X 的马斯克是火星的“狂热粉丝”,更是希望在有生之年可以移民火星。因此前往火星一直是 SpaceX 的首要任务,此前将宇航员送入太空,只是帮助人类完成踏入太空目标的基础,而星舰飞船才是实现人类星际旅行梦想又或者说马斯克梦想的重要一环。

  在美国东部时间 5 月 30 日承载着 NASA 两名宇航员的 SpaceX 载人航天器成功发射升空后,Space X 做了一系列动作,彰显出他们奔向火星的野心。马斯克在推特上称:通往火星的大门已经开启。

  火星移民畅想

  以当前的科技发展状态来看,火星探测的道路是困难重重布满荆棘,但是这并不能阻挡住人类向往火星的执着与热情。从古时候肉眼观测、想象火星,到用望远镜第一次看到火星表面,再到现代科技实现火星探测着陆、全方位了解火星。每一步,人类都走的坚定。因此我们有理由相信,火星探测的未来是光明的。也许有生之年我们真的可以见证移民火星。