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火星为啥这么“火”:专家详解多国探测计划

发布时间:2020-07-17 15:28:46 来源:中国科学报 作者:池涵
即日起,阿联酋“希望号”火星探测器、中国“天问一号”火星探测器和美国“毅力号”火星探测器将陆续奔赴火星。

火星为啥这么“火”:专家详解多国探测计划

即日起,阿联酋“希望号”火星探测器、中国“天问一号”火星探测器和美国“毅力号”火星探测器将陆续奔赴火星。

多国火星探测器为什么会不约而同地选在这个时间窗口密集发射?各国的火星探测又各有什么特色?

阿拉伯世界的“希望”

火星的公转周期几乎是地球的两倍,它们之间的距离一直在变化。中国航天系统科学与工程研究院研究员陈杰告诉《中国科学报》,每隔大约780天也就是26个月,会出现地球与火星最接近的一刻。

而此前的两三个月,就是发射火星探测器的窗口期。这个时候从地球发射探测器去火星,形象地说就是‘走最近的路’去火星。

“希望号”也称为“酋长号”,是阿联酋也是阿拉伯—伊斯兰国家的第一个行星探测器,重1.5吨,携带高分辨率彩色数码相机、红外光谱仪和紫外光谱仪三台仪器。

“希望号”此行预计将花费7~9个月到达火星,届时将环绕火星飞行,开始为期2~4年的科学数据采集。

陈杰认为,“希望号”任务比较专一,瞄准火星大气研究。现有数据只能提供火星一小段时间的温度和气候信息。而如果“希望号”取得成功的话,其探测数据将会首次为科学家提供火星每年、每季、每天的全球气候变化图景。

“这将进一步加深人类对火星气象的了解,为寻找当今火星天气与远古火星大气之间的联系、研究氧和氢从火星大气中散逸出去的机制、揭示火星大气的演变、了解火星是否曾经存在生命以及生命是如何消失的等问题提供重要支撑。”陈杰说。

美国普林斯顿大学天体物理系和普林斯顿等离子体物理实验室研究员董川飞告诉《中国科学报》,“希望号”号称第一个真正意义上的火星气象卫星。

了解火星上每日天气和季节变化 (比如火星上常见的沙尘暴)对将来人类登陆乃至移居火星有重大意义。

阿联酋2014年7月宣布“希望号”研制计划,2020年7月发射,“希望号”2021年5月到达火星的时候正逢阿联酋建国50周年。阿联酋还表示将以“希望号”为起点,在2117年前在火星建立人类定居点。

一场“逐火”盛宴

“希望号”虽然承载着阿拉伯世界的雄心,但其背后还有许多其他国家科学家们的辛勤耕耘。

据董川飞介绍,阿联酋的科学与工程团队对“希望号”的研制得到了美国多所高校和研究机构的极大支持。

其中,相机与紫外光谱仪主要由美国科罗拉多大学大气与空间物理实验室负责研发制造,红外光谱仪主要由美国亚利桑那州立大学负责研发制造。整个“希望号”主要由科罗拉多大学大气与空间物理实验室负责组装制造。

陈杰介绍,为了实现火星探测和载人航天梦想,阿联酋采用商业操作、国际合作的模式,邀请了200多位美国科学家和工程师参与。俄罗斯和欧洲还帮助培训阿联酋航天员,2019年9月,阿联酋航天员曼苏里搭乘联盟飞船进入国际空间站。

此次“希望号”的发射,阿联酋还与日本合作,利用日本的H-2A火箭。

1998年,日本曾发射了一颗同样名为“希望号”的火星探测器,但由于一系列技术故障,该探测器没有进入环绕火星轨道。

“日本目前有一个金星轨道飞行器‘晓’正在研究金星大气, 所以应该已经不存在发射火星探测器的技术问题。”董川飞说,“日本目前的研究重点放在火星的两个卫星的样本返回上,这比火星的轨道飞行器难度大很多。”

另据了解,日本的“火星卫星探查计划”将于 2024 年发射, 计划从“火卫一”取样并于 2029 年返回地球。

而美国也希望借“火星2020”项目重返火星,送“毅力号”火星车登陆火星。

从美国火星探测的规划来看,“毅力号”是在前期的轨道器、着陆器和巡视器找到火星上有水的证据、探测火星内部等之后,开始探索火星的可移居性,寻找生命迹象。

陈杰表示,“毅力号”任务有两方面的创新:一是“站点缓存”。“毅力号”可以收集火星岩石和土壤的岩芯样品,放在火星表面的“缓存站点”。这将是首次从火星岩石和土壤中提取岩芯样品,未来航天员可能会把这些样品带回地球进行研究。二是“毅力号”携带了旋翼无人机登陆火星。

这是人类首次在另一个星球尝试旋翼飞行。“毅力号”落地后,名为“机智号”的无人机会被放置在火星表面,在接收中继指令后自主起飞,作为“侦察员”,发挥辅助作用。

对于中国而言,2011年,搭载在俄罗斯“福布斯—土壤”火星探测器内部发射升空的“萤火一号”环火探测器,是中国火星探测计划中的第一颗火星探测器。但由于“福布斯—土壤”变轨失败,“萤火一号”没有进入火星轨道。

“如果说‘萤火一号’只是一次尝试,那么‘天问一号’则是我国深空探测的跨越,是航天强国建设的重要标志。”陈杰介绍,“天问一号”将搭载我国新一代大型运载火箭长征五号发射,从研制到发射都是全自主的。

去火星探究生命的起源

火星路远行艰,究竟是什么吸引着各国的科学家,使多国耗费如此大的人力物力发射探测器?

蓝箭航天火箭研发中心总经理戴政认为,寻找火星是否存在或者曾经存在生命的证据、解答生命起源和生命是否在宇宙中的问题,具有普遍性。同时,研究火星大气和地质等科学问题,对研究天体地质和演化有很多的借鉴意义,对地球的环境变迁变化也有借鉴意义。

陈杰则认为,火星探测是航天强国的重要标志,我国首次自主的火星探测任务成功实施可进一步缩短与美国、俄罗斯等在深空探测技术方面的差距,积累更多深空探测领域的经验,推动我国在行星探测、空间科学、空间技术等方面的发展,使我国跻身全球深空探测领先者的行列。

陈杰介绍说,从探测器构成看,我国的“天问一号”火星探测器设计成环绕器和着巡组合体两部分,由于着巡组合体由着陆器和巡视器(火星车)两部分构成,实际上包括了三部分;美国火星探测器就是着陆器和巡视器两部分构成;阿联酋的“希望号”则只是环绕探测器。

从探测目标上看,我国的“天问一号”要实现“绕、落、巡”三个目标,即环绕火星探测、着陆火星并进行巡视探测;美国的探测器主要是“落、巡”两个目标;阿联酋则是“绕”一个目标,即实现火星环绕探测。

“将‘绕、落、巡’三种任务结合在一起,在世界上属于首创。工程难度确实很大,但经过艰苦努力解决了大量工程难题后,我们有信心、有把握完成这次探测任务。”陈杰说。

据了解,到下一个火星探测窗口即2022年,欧盟与俄罗斯合作的“地外火星”任务将发射,去搜寻过去或现在(可能的)火星生命的生物特征。美国会发射火星样本返回计划,日本将发射火星卫星样本返回计划。

更有意思的是,各国都已经开始长远计划并布局最终将人类送上火星的任务。美国太空探索技术公司(SpaceX)首席执行官马斯克表示,将从2022年开始向火星运送货物,为建立火星前哨站铺路。

“这些任务都值得期待。人类探测火星的步伐一直在持续,还将继续持续下去。”陈杰说。

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