中美阿三国火星探测器排队上天,分别叫天问、毅力、希望

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中美阿三国火星探测器排队上天,分别叫天问、毅力、希望
浏览:157 发布日期:2020-07-10

在太阳系中,火星算是除了月球之外关注度最高的一颗星球。有很多证据显示,如果人类未来要进行星际移民,火星很可能是最有潜力的“第二家园”。

在未来一个多月里,我们可能会看到三项不同的火星探测任务正式启动,分别来自中国,美国和阿拉伯联合酋长国(阿联酋)。《自然》杂志在 7 月 7 日对这三项火星探测任务报道。

各国之所以选择扎堆发射,是因为今年 7-8 月是火星探测的宝贵“窗口期”。

根据火星与地球之间的运动关系,再考虑运载火箭的技术水平,大约每 26 个月才会出现一次合适的火星探测器发射时机。

如果错过这一时间点,就只能再等两年多:由于准备工作尚未完成,原本计划在同一时间段发射的欧盟 - 俄罗斯 Rosalind Franklin 探测车已经被迫延期到 2022 年。

图 | 火星照片(来源:Emily Lakdawalla/ISRO/ISSDC)

虽然都是探测火星,但中、美、阿三国各有不同的战略目标。

作为第一次火星探索,中国将迈出 “天问” 行星探测计划的第一步,派遣飞行器和探测器执行 “绕、落、巡” 任务,同时完成对火星环绕、着陆和探测,收集各种数据的同时为将来带回样本做铺垫。

美国将发射一台新的火星探测车“毅力号”,取代逐渐衰老的“好奇号”。其主要任务是收集岩石和土壤样本,继续探索火星的环境和生命迹象,并且为日后运送样本回地球做准备。

跟中国类似,阿联酋也是第一次执行火星探测任务,不过目标仅限于派遣轨道飞行器 “希望号” 环绕火星,追踪大气变化,并没有登陆和探测计划。

幽幽天问,剑指苍穹

对于中国来说,“天问一号”是自主火星探测任务的首秀,意义非凡。

最开始,中国打算与俄罗斯和欧盟合作推动火星探测计划,于是加紧开发出了小型探测器“萤火一号”,希望赶上 2009 年的发射窗口期。但俄罗斯方面出现延迟,发射被迫延期两年。

到了 2011 年 11 月,俄罗斯的运载火箭终于成功发射,但搭载了 “萤火一号” 的“福布斯 - 土壤号”未能成功变轨,只能坠落进大气层中烧毁。“萤火”也就此熄灭。

自此之后,中国走上自主深空探测的道路,选择使用长征系列运载火箭执行未来的发射任务。2016 年 1 月,中国自主火星探测任务正式获批立项。

直到 2020 年 4 月 24 日,中国国家航天局终于宣布,中国行星探测任务正式命名为“天问”,而首次火星探测任务命名为“天问一号”,准备工作正按计划有序推进中。

“天问”这一名字取自于屈原《楚辞》中的长诗《天问》,不仅传达出对自然和宇宙的探索永无止境,还带有几分豪气。

与名字温婉的 “嫦娥” 探月计划不同,豪气的 “天问” 略显低调。过去几年里,官方并没有透露太多细节,就连探测车的名字也没有透露(一度传闻可能叫“赤兔号”)。

我们现在知道的是,“天问一号”任务由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成,计划用一次发射同时完成环绕、着陆、巡视(探索)3 种探测目标,希望实现一举多得。

图 | “天问一号”组成部分概略图(来源:Nature)

这对技术的要求非常之高,迄今为止人类进行过的 40 多次火星探索,绝大多数都是环绕或者着陆 巡视,同时执行三种任务的少之又少——过去仅有美国成功过,欧盟的尝试以失败告终。

据中外媒体披露,“天问一号”将采用长征五号遥四火箭,预计发射日期是 7 月 23 日,视天气情况可能改到 8 月,发射地点在海南文昌航天发射场。

如果一切顺利,“天问一号”预计将在 2021 年 2 月进入火星轨道,着陆地点尚未确定,火星乌托邦平原上的多个区域都有可能。

图 | 网格区域是 “天问一号” 预计着陆区(来源:Nature)

从现有资料来看,环绕器将配备 7 台设备,或包括高分辨率照相机、中分辨率照相机、地下雷达、矿物光谱仪、中性和高能粒子分析仪以及磁力仪。探测器则重达 200 公斤,将搭载 6 台设备,公司优势或包括遥感相机、探地雷达、多光谱照相机、激光击穿光谱仪,以及探测气候和磁环境的仪器。

这些设备将帮助远在地球的科学家探索火星环境,比如收集沙丘、冰川和火山的图像,研究岩石和土壤成分,收集大气数据并研究磁场和重力场。

接替前辈的“毅力号”

与中国相比,美国在火星探索上有着丰富经验,其探测计划 “火星 2020” 不仅披露了很多技术细节,而且更具目的性。

该计划预计于 7 月 30 日至 8 月 15 日从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射。如果一切顺利,探测器将于 2021 年 2 月 18 日登陆火星,降落点选在曾是湖泊和河流三角洲的杰泽罗陨石坑附近。

“火星 2020”计划将一辆长 3 米,功率 110 瓦特,重 1025 公斤的六轮探测车 “毅力号” 送上火星。不算登陆器的话,这是美国第五次派遣火星漫游车,最近一次是 2012 年 8 月登陆的“好奇号”。

图 | “毅力号”(来源:Nature/NASA)

“毅力号”是基于 “好奇号” 设计的,预计会接替已经工作了 8 年的前辈,肩负未来 5-10 年的火星探测任务。它装备了很多 “好奇号” 上已有设备的升级版,比如识别岩石成分的化学分析仪和全景摄像系统。最关键的是,它将专注于识别和收集岩石样本。

为了执行任务,“毅力号”配有 2.1 米长的机械臂和 43 根试管,可以在岩石上钻出一小段圆柱体样本,并将其存入试管中密封保存。当收集超过 20 管样本后,“毅力号”会将它们放在火星上,等待未来的探测器将它们带回地球。

目前美国计划在 2026 年与欧盟合作执行发射任务,然后在 2031 年将岩石样本带回地球,但这套设想还未正式推进。

如果进展顺利,这些岩石有望成为人类从火星获得的第一批样本,科学家可以用它们分析火星上是否存在(过)生命——“好奇号”已经找到了对于生命至关重要的水分痕迹。

阿联酋的“希望”

阿联酋也计划在 7 月 15 日之后择期开启火星探测项目,发射地点定在了日本鹿儿岛的种子岛宇宙中心。

这将是阿拉伯国家首次自主进行星际探索,其轨道器被命名为“希望号”。

不同于中美两国,阿联酋此次只进行环绕火星的探索,没有登陆的打算。轨道飞行器将围绕火星运动,观测行星的大气层动态,绘制首张火星气象图。

图 | “希望号”(来源:Nature/ESA)

“希望号”预计工作寿命是两年左右,每天都要不分昼夜地跟踪火星的气象变化,收集数据以帮助科学家了解火星气候和大气层变化。

飞行器携带有可见光相机和红外光谱仪,负责研究低层大气的火星云和沙尘暴;还有紫外线光谱仪,负责研究高层大气。

为了这项野心勃勃的任务,阿联酋聘请了很多 NASA 前工程师,而且还得到了 NASA 的技术转让和支持。

阿联酋高级科学部长兼项目科学负责人 Sarah Al Amiri 认为,这样的项目激励了该国的年轻人,从小孩到大学生的热情都与日俱增,从很多方面来看,即使 “希望号” 在发射台上爆炸,任务也是成功的。

40% 成功率

自 1960 年以来,美国、欧洲、俄罗斯和日本先后进行了 40 多次火星探测项目,然而成功率仅有 40% 左右,余下的都撞毁、失灵或失踪了。

即使有了月球探测的经验,火星探测仍是一项非常复杂且艰巨的任务:前往火星的航程是月球的 1000 倍,表面引力是月球的两倍,还有大气层和遍布地表的岩石。

要克服的技术难点比比皆是,比如探测器到火星要 200 多天,期间必须实现超远程通信,还要不断修正飞行方向,最多要顶着 14 分钟的信号传输延迟来操作;到达火星附近后要尽快减速,进入火星引力场,否则容易擦肩而过;在着陆时还要跨越“恐怖 7 分钟”,需要在 7 分钟内将探测器时速从 2 万千米降低到 0,对减速技术要求很高。

在此基础上,中国的 “天问一号” 任务还将首次挑战 “绕、落、巡” 同时进行的探测方案,难度系数又加一层。

如果 “天问一号” 任务成功,中国将成为世界上首个首次探索火星即完成软着陆的国家,并成为继美国之后第二个完成火星漫游的国家。