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中国首次火星探测任务「天问一号」火星探测器发射成功,你有什么想说的?这次任务有哪些重大意义?

今天,我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探测任务天问一号探测器。火箭成功将探测器送入预定轨道。天问一号探测…
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最新进展 · 中国祝融登陆火星
天问一号携「祝融号」火星车成功着陆火星6 个事件进展
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发射前往火星,天问一号八大闯关之旅正式开启!

2020年7月23日12时41分,我国首个独立火星探测任务天问一号搭乘长征五号遥四火箭,从文昌航天发射场成功升空,下一站火星!

图片来源:江程杰


两千年前,屈原在长诗《天问》中发出了“九天之际,安放安属?”和“日月安属,列星安陈?”的旷世之问。两千年后,中国航天人要用实际行动给出解答:行星探测计划“天问”启动,而执行第一站任务的就是去往火星的天问一号。

火星是地球的邻居,二者同为岩质行星,演化与构造类似。火星上有水、稀薄空气、与地球类似的元素、小分子有机物和太阳系最壮观的山川峡谷等,是地球演化历史和未来的重要参照,更是人类梦想成为“跨行星生存物种”的完美下一站。

地球和火星对比(图改自:NASA)


为征服眼前这个荧荧如火的星球,中国航天人进行了数年的努力。如今,天问一号的闯关之旅才刚刚开始。


第一关:必须抓住的发射窗口


跟火星比起来,地球距离太阳更近,环绕太阳一周需要约365天,火星则需要约687天。这种“不同步”导致地球和火星之间距离在时刻变化,从5500万千米到4亿千米不等。从地球视角来看,二者每约780天才会合一次:在780天内地球运行了2周49度角,恰好超过了火星1周,二者距离达到一次最近

地球和火星的轨道周期、会合周期示意图(图片来源:作者绘制)


人类航天虽然经历了数十年发展,但运载火箭依然以利用化学能为核心,远达不到科幻电影中无视星际旅行距离“横冲直撞”的设定。因而,火星探测器的发射时间要求很苛刻,必须在每次地球和火星会合时机之前几个月、火星相对于太阳的位置领先于地球44度角左右的时候出发,瞄准6-11个月之后火星的位置,开启火星探测之旅。

2000-2022年地球和火星距离变化,各火星探测任务在太空中飞行的时间区间(图片来源:作者绘制)


由于每次地球和火星会合机会带来的理想探测窗口仅在1个月左右,探测任务如果赶不上出发,就要等待26个月后的下一次机会。这对于存在设计寿命、且有着巨大保管维护成本的探测器而言,是很难接受的。例如, NASA局长曾说毅力号火星车错过2020年7-8月发射窗口的代价至少是5亿美元的损失。

第一关,天问一号已经完美通过!


第二关:强力的运载火箭


在人类航天探索中,航天器的速度是最重要的核心。

三大宇宙速度是人类航天探测的三道鸿沟(图片来源:作者绘制)


想实现火星探测,意味着探测器不仅要突破第二宇宙速度,完全摆脱地球引力,还要在此基础上进一步加速,在抵达火星前尽力摆脱太阳(是地球质量的30余万倍)引力的巨大影响。这对探测火星的运载火箭要求极高,基本都是各国最为强力的火箭系列。即便如此,探测器占火箭总体质量的比例都在1%以下,绝大部分质量都用于装载推进剂,这是人类航天梦想的巨大代价。

对于总重5吨左右的天问一号而言,带它前往火星的就是长征系列中最强的长征5号火箭。

近几年世界各国火星探测任务的主力火箭(图片来源:作者提供)


第二关,“胖五”托起天问一号飞向火星的梦想已经实现!


第三关:霍曼转移轨道


1925年,德国航天工程师瓦尔特·霍曼博士出版了图书《Die Erreichbarkeit der Himmelskörper》,在书中提出了著名的霍曼转移轨道。他或许没有想到,这个理论成为后来人类几乎所有火星探测任务的基础。

霍曼转移轨道的理论认为:在地球出发时(假设地球火星均为圆轨道),探测器需要达到32.7千米/秒的速度,超过地球本身的速度(29.8千米/秒),加速。在抵达火星时,探测器速度为21.5千米/秒,低于火星运动速度(24.1千米/秒),再次加速。不过由于火星引力加速和大部分任务目标是环绕火星等原因,“再次加速”实际上是火星附近制动工作,以切入环绕火星轨道。飞行过程中,为应对外力可能造成的轨道偏移,也仅需推进系统短暂工作微调,绝大部分时间自由飞行。

火星探测霍曼转移轨迹示意图(图片来源:作者绘制)


整体上,霍曼转移方案非常简单,轨道是半个椭圆,链接了地球轨道和火星轨道,全程在6-11个月时间。它能够最大限度节省推进剂,最大限度减少操作,是人类火星之旅的最优方案。

第三关,天问一号已经在切入霍曼转移的路上!


第四关:深空导航制导与控制


茫茫深空,此前各个探测任务采用的霍曼转移轨道普遍在4-7亿千米的长度,6-11个月的旅程。对于天问一号,它的轨迹耗时7个月左右,预计于2021年2月中才抵达火星,需要走过的路已经远远超过了中国此前的航天任务。我们熟悉的天宫和神舟任务距离地球表面仅400千米,北斗星座距离地球表面仅20000-36000千米,嫦娥距离地球38万千米。但它们相比天问一号而言都可以用“微不足道的距离”来形容,这也意味着对天问一号的导航制导与控制变得异常艰难。

功勋卓著的远望6号航天测量船也为天问一号保驾护航(图源:我们的太空)


一方面,在出发阶段,需要陆基测控站和万吨级远望系列航天测量船全程保驾护航。出发后,需要庞大的深空探测天线网络覆盖整个天域,保证它在整个探测火星过程中都能跟地球有效通信,要知道,天问一号距地球最远的时候,即地球和火星距离达到4亿千米,这个距离单程都需要光速飞行22分钟!

另一方面,天问一号也需要自主导航和控制,精准确定自身位置和姿态。例如利用恒星敏感器把自己的姿态确定到角秒级的精度,而1角秒仅仅是1度的3600分之一!

第四关,地球上的中国航天人和太空中的天问一号,正常通讯中!


第五关:“绕、着、巡”,一个都不能少


人类探测火星60年来,共有四种任务类型:惊鸿一瞥的“飞掠”,登高望远的“环绕”,观天测地的“降落”和自由移动的“巡视”。其中,“飞掠”仅是在早期技术不成熟或其他任务兼职探测火星时使用,另外三种是近些年来的任务类型主力。

人类目前有四种火星探测任务示意图,未来在计划突破第五种:采样返回(图片来源:作者绘制)


其中,环绕器(轨道器)能长期环绕火星,采集海量的数据,全方位研究火星磁场、大气、重力场、水、浅层土壤、地质地貌等方面,还能起到信号中继作用,服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器。着陆器能仔细研究火星表面的各种细节,但由于着陆机构重量和自身能量限制,无法移动和自由巡视。巡视器可以随处移动,意义不言而喻,它的质量能更多集中于科研载荷,从事多地点多方面的精细研究。

一般而言,火星探测任务都会采取“绕”、“落”、“巡”分开的形式以降低难度。即便如此,几十年来人类探测火星的任务成功率仅有一半左右。而这次天问一号的选择是:“小孩子才做选择,绕、着、巡,我都要”!它包括了环绕器、着陆器和巡视器三个部分。

第五关,最复杂的火星探测任务正在路上!


第六关:切入轨道,静待时机


经过近7个月的长途旅行,2021年2月中,火星终于出现在眼前,天问一号也将被火星引力俘获。环绕器此时要执行最为关键的一步:制动进入环绕火星轨道。为最大限度节省推进剂,天问一号的三个部分将会整体进入环绕火星的大椭圆轨道中,没必要追求更消耗推进剂的圆形轨道。

这个方案不同于进入21世纪后的欧洲两次类似任务。它们都是抵达火星后立即分离,着陆部分并不进入环绕火星轨道。这样虽然可以大大降低环绕器的制动变轨压力,但代价也是惨烈的:火星快车号和微量气体探测器任务的着陆部分均宣告失败。重要原因之一在于给着陆留下的选择窗口太短,因而天问一号并不采用这种方案。

天问一号:前部为着陆器/巡视器组合体,后部为环绕器(图源:中国航天局)


在随后约2个月的环绕火星时间内,是天问一号的环绕器最为繁忙的时间。它需要逐渐开启自身的7个有效载荷,认真研究火星表面的情况,反复确认着陆地点和最优着陆窗口。一旦确认后,二者分离,环绕器继续在轨工作,着陆器携带巡视器开始最为艰难的火星着陆之旅。

第六关,环绕器是重中之重!


第七关:恐怖七分钟!


由于距离过于遥远,地球和火星双向通讯延时将长达几十分钟。且火星着陆时间一般仅在7-8分钟左右,地面工作人员不可能人工控制复杂的火星着陆过程,这一切全要靠着陆器自己完成。

火星有大气,但又特别稀薄。这成了航天人又爱又恨的因素:一方面,可以利用大气气动减速,使用降落伞;另一方面,必须找准进入角度,过大会着陆器过热焚毁,过小会打水漂一样滑入深空,根本无法着陆。更重要的是,火星大气的密度还太低了,甚至还不足地球大气层的1%,即便最大极限地利用了火星大气减速,依然无法把速度降到理想状态,要想着陆火星必须自带反推火箭。

让我们来大概描述一下天问一号着陆的过程吧:

刚开始,通过整体和隔热大底气动减速约5分钟,着陆器速度从约5千米/秒减速到数百米/秒,已到极限,隔热大底的温度已升到2000余摄氏度。此时,巨大降落伞展开,在不到100秒时间内把速度进一步降低到约100米/秒。随后,隔热大底、降落伞和支撑结构先后脱离着陆器。被烧蚀得不成样子的隔热大底将会坠向火星表面,成为天问一号最先抵达火星表面的部分,也算是它“蜡炬成灰泪始干”的“褒奖”。

天问一号着陆器最后着陆阶段艺术效果图(图源:中国航天局)


大戏刚刚开始,着陆器自带的反推火箭开始全力工作,逐渐降低速度。着陆器先是在火星表面数十米的高度悬停,底部所有仪器开启,认真筛查地表情况,最后确认着陆地点。认定后,最终缓慢软着陆到火星表面。

第七关,“刀尖上舞者”的火星着陆艺术。


第八关:巡视器出发,开机工作


“绕”、“着”、“巡”的串联任务终于进行到最后一步。着陆器稳定着陆后,将会与环绕器联络,确定工作状态,上传记录的全部数据,传回地球。一切确认后,着陆器将放出导轨,巡视器开机,积累到足够能量后,行驶抵达火星表面,开始工作。

天问一号着陆器和巡视器艺术效果图(图源:中国航天局)


探测火星不仅是为了工程任务突破,更是为了从事科研。除了常规的通讯、能量来源(太阳能帆板)、支撑结构、动力系统等部分外,天问一号整体上携带了13种科学载荷,其中7个在火星上空的环绕器上,6个在降落火星表面的巡视器上。它们共有五大科研目标,主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究,将给中国带来火星的第一手资料。

工作状态的火星车艺术效果图(图源:中国航天局)


第8关,美丽的火星,天问一号拭目以待!


结语

人类探测火星60年,胜率不到一半,这是一个高风险,却是代表着人类最美丽最绚烂航天梦想的存在。天问一号,一次实现“绕、落、巡”的工程目标和五大科学目标,也必将是极大的挑战。我们祝福它在余下的闯关过程中,一切顺利!


天问一号不仅是我国火星探测任务的开始,也宣布了我国长远行星探测任务的开启。火星,只不过是下一站。在可以预见的将来,天问系列不仅会探测火星,还会去地球最近的邻居金星,还有可能挑战极限,前往更大难度的太阳系内侧水星和外侧四大气态行星(木星、土星、天王星、海王星)和小行星、矮行星等。我国也在近期开启了行星科学一级学科的大规模建设,一批人才培养的摇篮正在规划中。希望天问一号火星探测任务一切顺利,也希望天问系列带着中国人的梦想飞遍寰宇。

最后,让我们畅想一下《下一站火星》中的未来图景吧:所有人都在等待征服火星的那一天。那时人类可以被定义为一个全新的物种:一种来自地球的可以跨行星生存的生物。走出地球似乎是我们从渺小迈向伟大的必经之路。火星就是下一站,那里总是荧荧如火,令人向往。


出品:科普中国

制作:太空精酿

监制:中国科学院计算机网络信息中心

发布于 2020-07-23 13:26

作为在现场亲历发射并且直播的知乎用户,我必须要来发图了,不过要先给大家道个歉,发射的时候由于直播机位附近人实在是太多了,通讯基站可能饱和了,我们直播用的又是4g信号推流,所以造成了卡顿,实在是对不住大家的厚爱_(:з)∠)_

我这次是受知乎科学团队的邀请,前来文昌对此次自主火星探测任务进行直播。一共准备了两个直播机位,一个是 @子乾 乾哥在希尔顿酒店阳台的直播机位,另一个是我在附近海边民宿房顶上的直播机位。


首先简要介绍一下本次火星任务吧。本次火星任务为我国首次自主执行的火星探测器任务“天问一号”,探测器可以大致分为轨道器和着陆器两部分,总重约5吨。本次任务要一次性完成火星绕飞、着陆、巡视三项主要任务。作为我国首次自主火星探测任务,属实排面!

民宿老板的天问一号模型

本次任务由我国最新、最大的运载火箭“长征五号”进行发射,这也是长征五号系列进行的第五次发射,前四次分别是长征五号遥1-3和长征五号乙遥1。这次发射也从侧面证明了我们的“胖5”确实稳了!

今早自己拿手机拍的,画质见谅(捂脸)

此次发射之前,我代表知乎用户连线了本次任务的测控系统总师李海涛老师,在直播连线的过程中李老师向大家讲述了本次任务在测控上的挑战,以及我国深空探测网的建设情况,可以说我国的深空探测网已经完全可以自主的对本次火星任务进行测控活动,不用再依赖美国NASA的深空网DSN。在首次自主火星任务以后还有可能要进行火星表面采样返回和主带小行星探测的活动,这样的任务对我国的航天测控能力提出了更高的要求,这也让我非常的期待我国航天人们可以做出什么样的成果。




本次我能参与天问一号的发射直播活动还是要万分感谢 @知乎科学 @知乎政务 @小直同学 能给我这次机会,其实这是我首次参与直播活动,还是作为主播的身份,这对我自己也是一个不小的挑战,此外还要感谢 @天才琪露诺 在直播电话连线过程中的详细讲解,辛苦了!

说实话我到现在坐在民宿里敲回答的时候还是心潮澎湃,激动的心情实在是难以平复,就不在多说了,感谢大家在直播中的厚爱!

火星!我们来了!

我们的征途是星辰大海!!!

编辑于 2020-07-23 23:54

人在文昌,刚结束航天保供电工作,假装谢邀。

▲现场直击:“天问一号”升空!褚浩霖 摄


我是南方电网海南文昌供电局的员工沈文科。去年,我开始接手航天保供电设备运维管理的工作,“天问一号”探测器已在文昌发射场成功点火,这是我完成的第四次航天保供电工作。

2019年“胖五”再一次发射,距离上一次已经两年之久,当时负责航天保电的同事对于这一块的记忆已经模糊,对于这一块的工作,我基本是从0开始。方案、策略、报表......数不清的资料需要学习,熬夜梳理、摸索,经历了好几个星期,才逐渐上手。

每一次接到保供电任务,我内心是拒绝的,方案、报表接踵而来,每一次保电都会有新的问题,都要比上一次更加完善,我的周末离我也越来越远。我本是一个很慢热的人,不太善于与长辈、陌生人交流,但是,这航天保供电工作不止是我一个人的事,需要大家的共同努力,共同付出,为了做好设备运维工作,要与多个部门、单位进行沟通,经常一天的电话100+,有一段时间,一听到电话铃声就头皮发麻,起鸡皮疙瘩,也想过,关掉声音装作听不到,可是一想这么重要的工作,容不得我的“矫情”,硬着头皮接着干。

2019年年底,忙活了两个月后,在办公楼里看着远处一团飞向苍穹的亮光,那是我第一次亲眼见到火箭,这一次的用电保障有我参与,两个月的痛苦与磨练,化成的这一道光,让我的心化了,那一瞬间,所有的辛苦与付出都值得。

其实,每一次航天发射,对于我们而言,都一样,就是做好保供电工作,但又不一样,是一次又一次的成长,一次又一次的磨练,两年后的新出发、疫情期间的双发,以及这一次的火星探测,每一次都是新的,每一次都是比上一次更好。

以往都是在傍晚发射,所以大家早上开始值守,而这一次是中午发射,所以,从23日零点开始,我们必须进入状态,值守时间长,又是通宵,说实话,真的很累。而在现场值守的伙伴们,在荒郊野岭,要应付蚊虫的叮咬,要克服对夜晚的恐惧,在办公楼里值守真的已经算是一件“美差”。

终于,2020年7月23日12:41,长征五号遥四运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,首次火星探测任务天问一号火星探测器发射成功。

对于祖国而言,是综合实力的体现,是朝航天梦迈进的一大步,对于我而言,是一次保供电任务的再一次成功,标志着我周末可以睡懒觉啦。

(南方电网海南文昌供电局 沈文科)

沈文科在电脑前实时监测线路情况。(王萍 摄)

凌晨1时15分,闹钟准时响起,刚躺下没多久的我又起床了。怕自己忘记,手机备忘录里详细写着拍摄任务:局办公大楼值守、东郊所接入照明灯、凌晨坚守岗位的保电团青......

拒绝了同事陪同的好意,第一次在凌晨一个人开车,说不害怕那是骗人的,但想到有那么多同事在现场坚守岗位,顶着汹涌袭来的困意,我加大油门赶往现场。3时,东郊供电所保供电人员集结到位,各小分队前往疏散安置点接入应急照明灯,为的是在村民转移过程中提供照明。夜路虽漆黑,内心却很温暖。

为疏散点接入应急照明,检查设备

结束拍摄回到宿舍,此时天刚刚破晓,简单整理好图片和文字后,我洗了把脸又出发了。早上9时30分,我和同事来到此次发射保供电服务现场。尽管正值酷暑三伏天,但高温抵挡不了大家对火星的“追求”。航天爱好者、附近的村民和像我们一样为发射任务提供服务的工作人员挤满了天台,可见火星的吸引力多大。

12时20分,在室内吹空调的人纷纷走出来,大家都默契地调整拍摄角度,只为抓住火箭发射那一瞬间的火光。20分钟后,人群里开始倒计时:5、4、3、2、1!只见不远处发射塔架中间有一团火光迅速升空,以惊人速度升向苍穹,在空中划出一条完美的抛物线。尽管这是我第三次观看火箭发射,但每一次都心潮澎湃。这一次火星探测任务“天问一号”发射成功,意味着我国在探测火星上又向前迈进一步。想到这一步凝聚着保电人员的小小力量,我倍感自豪。特别想说一句:南网人圆满完成此次航天发射保供电任务!

(南方电网海南文昌供电局 王萍)


保供电长啥样?Po几张图简单感受一下吧

▲南方电网保供电人员做好航天发射保供电工作。
保供电人员将应急发电车接入龙楼航天城常态化管理指挥中心。
7月18日,保供电重点线路下有人烧荒,历经5个小时才将火彻底扑灭。
今天凌晨在线路下坚守岗位的工作人员

这次保供电涉及重点场所8个,重要变电站19座、输电线路29条、配电线路13条。7月21日,特级保供电进入实施阶段,包括但不限于重要保供电变电站的特巡特维,以及相关设备的定检、维护、消缺工作;重大及以上树障清理;积极协助指导重要客户修编保供电方案,客户侧保供电方案编制等等。

特级保供电期间,南方电网海南电网公司通过500千伏海底电缆与南方主网联网运行,原则上不安排对系统安全和供电可靠性有较大影响的检修及试验工作。同时,海南电网公司组建了应急队伍42支共942人、库存物资25748万元、应急电源车34辆24小时值班待命,全力确保发射任务保供电工作万无一失。

其实,

从文昌卫星发射基地开建的那一刻开始

南方电网人就开始了8年的马拉松式保供电

2016年6月25日的“长征七号”首发保供电后

便正式踏上了常态化实施航天发射保供电的征程

有我南网电

护你上青天

中国的航天梦

也是电力人的梦

希望在我们每一个人的守护下

中国飞得更远

发布于 2020-07-23 18:07

我们今天所欢呼的任何一样成就,都能在历史中找到踪影。

时光倒回到1992年。这一年,从总设计师发表“南巡讲话”,到我国加入《核不扩散条约》,再到中共十四大的开幕,可以说,我国发生了很多大事件。

对于科技工作者,特别是航天工作者而言,这一年也同样值得铭记——因为这一年是“国际空间年”,在发射第一颗人造地球卫星35年后,人类首次在全球范围内庆祝这一物种在航天领域所取得的成就。

作为和平、合作、负责任的大国,我国积极响应这份号召,成立了以宋健国务委员为名誉主任的中国筹备委员会。聂荣臻元帅和宋健国务委员还应《航天》杂志(现《中国航天》杂志)之邀为国际空间年题了词。那一年,我们召开了空间活动经济效益国际研讨会,组织了国际青少年航天夏令营,开展了国际空间年航天知识电视大赛,举行了国际航天邮票展览,还举办了全国中学生卫星搭载科学实验活动。

然而受技术条件限制,我国在当时并没有探月、探火的计划,“天问一号”发射使用的“长征五号”还躺在规划当中,就连现在我们常说的“金牌火箭”长三甲系列,都还要等到1994年才能够首飞。但这并不妨碍我们把目光投向深邃的太空。因为即便是在连国产导弹都没有的1961年,我们就已经在讨论如何将宇宙火箭发射向火星。90年代的航天人们也用自己的实际行动,续写着他们对于太空的期盼。

在知网上搜索到的1961年的火星探测有关文献

空间技术研究院下属单位的一个研究小组,在该院科学技术委员会的支持下,完成了一项月球探测器的初步的可行性研究:他们提出了一个简单的绕月探测器方案,像实践4号卫星那样,搭载在新研制的长征3号甲运载火箭上发射。

对于火星任务而言,我国的科研人员提出开展国际合作,最好由联合国外层空间委员会作为最高层的组织机构,统一计划、安排世界各国的火星探测活动,并向世界提出倡议:探测和开发火星是全人类共同的、长远的事业,应该为世界 各国谋利和造福,而不论国家的大小与发展程度。各国的公众和科学团体都应有 权获得关于火星探测活动的信息和资料。

时间来到了2003年。这一年,“非典”的疫情让全国人民都绷紧了弦,而同样也是这一年,中科院空间科学与应用研究中心正在制定火星探测规划。根据规划设想,预计到2020年,我国有望发射自己的火星探测器,实现环绕火星探测。一年后的2004年,“嫦娥工程”启动,中国人千年奔月梦的大门被叩响。

注意发表时间

2007年10月24日,随着“长三甲”火箭的轰鸣,以“东方红3号”卫星平台为主体的月球探测器“嫦娥一号”飞向了月球。15年前的设想在此刻变成了现实,我们终于用自己的“眼睛”看到了这颗魂牵梦萦数千年的卫星。

嫦娥一号发射

2010年的国庆节,“嫦娥二号”追随着“嫦娥一号”的脚步,踏上了前往月球的道路。作为承上启下的纽带,它为我国三个深空探测任务提供技术支撑:它为“嫦娥三号”的预定落点提供米级分辨率地图;它还停留在地月L2点,为“嫦娥四号”的中继星“鹊桥”探路;在服役2年后,它飞离了地月系,前往绕日轨道,直到距离地面一亿公里的深空,它依然下行着飞行数据,作为我国深空探测的“排头兵”,它将直接为我国的火星探测任务提供技术支撑。

嫦娥二号的全任务

60年前的设想在今天变成了现实,30年前的种子在今天长成了大树,十几年来的厚积终于在今天薄发。

“天问一号”目前正在逐渐驶离地球,而据我国嫦娥工程卫星系统总指挥叶培建院士的介绍,“嫦娥二号”将在今年回到地球附近。这是一位老兵对于新兵的祝福,也是过去数十年以来传承的真实写照。

过去,我们在草稿纸上演算火星之路;

今天,我们在大屏幕上见证火星之行;

或许未来,今天的航天工作者们将带领我们征服火星,让人类成为一个真正的跨行星物种。

编辑于 2020-07-23 14:08

谢邀,写的太认真,来晚了,我还有机会么…


一文解读关于天问一号的所有疑问和误区

提纲:

1、天问一号包括哪些?“绕着巡”三件套

2、从地球到火星:最短最快抵达?想得美!

3、抵达火星附近之后做什么?

4、“恐怖七分钟”?对,也不对

5、着陆在哪里?

6、天问一号,要探测什么?


2020年7月23日下午,我国首个自主的火星探测任务“天问一号”从海南文昌发射场,搭乘长征五号遥四火箭顺利发射升空,奔赴火星。

长征五号遥四点火升空。拍摄:Tea-tia

这样的时候,想必关于天问一号的科普是全网铺天盖地目不暇接,嗨,这时候讲太细了反而不太能get到重点,所以这期的目标就是尽量简单地让大家一文了解关于天问一号的整体情况吧。(体贴)


1、天问一号包括哪些?“绕着巡”三件套

天问一号火星探测任务是个大家族,包括:环绕器、进入舱(着陆架)和火星车三件套

天问一号三件套。素材来源:CNSA

环绕器带着着陆巡视组合体抵达火星附近,进入舱带着火星车进入大气层,火星车在火星表面巡视探测。不过,环绕器对火星车的意义不止于“带一程”,它还会持续为火星车提供通讯中继。

一点土味示意图,尽力了.jpg

2、从地球到火星:最短最快抵达?想得美!

26个月,地球上会有一小段时期特别适合发探测器去火星,事实上,人类六十年火星探测史上,绝大多数探测器都是在这样的“火星发射窗口”出发的。

最近的这个火星发射窗口就是今年(2020年)7-8月,不只是我国的天问一号,NASA的毅力号火星车(计划7月30日发射),阿联酋的希望号(已在7月20日发射)都选在这个窗口发射。

很多人直觉上会以为,这样的“时机”特殊之处在于能让探测器最快抵达火星,或者说用最短的时间、以最近的路程抵达火星。但恰恰相反,火星探测器优先选择的是一条更加漫长和遥远的旅途(也就是“地火转移轨道”)——因为对大多数不载人的探测器来说,路上多花点时间根本不是事儿,但燃料却是“无价之宝”,在火箭运力一定的情况下,探测器需要消耗的燃料越少,就越能多带点其他有用的东西,比如带更多科学仪器,进而有更多科学产出。

一言以蔽之:又省燃料又路程短又快,不存在的。鱼与熊掌不可兼得。

有赖“胖五”的运力加持,发射后的天问一号可以一次性获得足够大的速度,能被直接送入地火转移轨道

就是这样一个环绕太阳,能和火星轨道交会的椭圆轨道(图为标准霍曼转移轨道)▼

探测器发射和抵达时地火相对位置。44°是平均值,实际因为火星轨道比较椭,每次窗口会有不同,本次火星季的夹角只有约30°。改编自:NASA

而如果火箭运力不足以让探测器达到足够高的速度(轨道)的话,探测器就需要先在地球绕上几圈(被送入地球停泊轨道),再通过自己消耗燃料点火一点一点加速(抬升轨道),最终蹭进地火转移轨道。你看,火箭给力的话,不仅能发更重的探测器,带更多东西,而且还能帮探测器省更多燃料。

地球停泊轨道中转的典型代表:印度曼加里安号▼

印度曼加里安号轨道:先经过地球停泊轨道的抬升,再进入地火转移轨道。来源:ISRO

探测器在地火转移轨道飞行一段时间后就能与火星自然“相遇”,途中无需一直消耗燃料,只需在择机进行的几次点火修正轨道时消耗少量燃料即可。换言之,在火星发射窗口出发,从地火转移轨道飞向火星,这是掌握物理规律的地球人总结出的尽可能节省燃料的一条路线,代价则是需要花费很长的时间,飞很长的路途。

探测器经地火转移轨道与火星“交会”的示意图,这样的发射时机每26个月出现一次。注意三点:1)发射时并不是地火距离最近的时候;2)并不是最省时间或者最短路程;3)这是探测器尽可能省燃料的路径。来源:NASA

不过,前面的图里其实只是地火转移轨道中最省燃料的一种情况——霍曼转移轨道。探测器与火星交汇时探测器刚好飞过半个椭圆,这时候探测器和火星的速度方向相切,入轨和轨道机动所需的燃料最少。霍曼转移轨道路上一般需要花费6-11个月。

那你说我愿意多花点燃料,想再快一点,路程短一点,可不可以?可以。如果探测器在初始阶段有更高的速度,进入一个更大的椭圆轨道,那么就可以提前与火星交会,这就是快速转移。如果将来我们有载人火星任务,那么燃料相比于人就没有那么重要了,我们会更倾向于更快抵达的方案。

霍曼转移 vs. 快速转移,大小没有按比例。绘制:©haibaraemily

按目前公布的信息来看,天问一号的地火转移之旅需要在路上花费约6个半月(算是很快的了),于2021年2月抵达火星附近。

3、抵达火星附近之后做什么?

天问一号计划在一次任务中实现“环绕、着陆、巡视”三大目标,首先需要完成的就是“环绕”。待到2021年2月,天问一号在抵达火星附近之后需要通过“刹车”减速(近火制动),被火星引力捕获,进入环火星轨道

不过,天问一号并不会在入轨之后立刻分离着陆装置,而是和NASA的海盗号任务相似,让环绕器先经过一段时间的火星停泊轨道探测,实际考察了着陆区之后再释放着陆装置。可以说是非常谨慎了。

天问一号会在火星停泊段对着陆区进行进一步考察。改编自:参考文献 [1]

经过2-3个月的在轨运行,调整好轨道,确认了着陆区状况之后,天问一号环绕器将在2021年4月之后释放着陆巡视组合体。

4、“恐怖七分钟”?对,也不对

从进入火星大气层,到着陆火星表面,探测器需要经过一段艰险异常的路程。天问一号的着陆巡视组合体也必须经历这段严酷的考验。
人们常常把这段路程成为“恐怖七分钟”甚至“死亡七分钟”,但其实不一定。

对的地方在于:恐怖确实是恐怖的。着陆过程不仅复杂艰险,而且由于信号延迟和屏蔽,无法得到地面站的支援,一切都要靠探测器自主完成。迄今为止的火星着陆任务近一半折戟于此。

不一定的地方在于:不一定是七分钟

事实上,目前的火星着陆任务绝大多数是抵达火星后直接着陆的,即使是欧空局的痕量气体轨道器(TGO),也是在抵达火星后先扔下斯基亚帕雷利着陆器,然后才进入环火星轨道的。这就意味着,这些着陆任务在进入火星大气层的时候速度更大,着陆过程所需的时间也更短。

典型的“恐怖七分钟”案例洞察号,进入火星大气层时速度约5.5 km/s▼

洞察号着陆时序。汉化自:[2]

但并不是所有的火星着陆任务都这样。如果是先减速进入环火星轨道,然后再分离着陆的话…显然,着陆任务进入大气层的速度会降低不少。以NASA的海盗号任务为例,海盗号是先环绕器进入环火星轨道,对着陆区进行了一个多月的考察之后,才择机释放的着陆器。在这种情况下,海盗号着陆器进入火星大气层的速度是4.6 km/s,比洞察号低了16%。这段着陆过程花了多久呢?大约10分钟 [3]。

海盗号着陆时序。来源:NASA《海盗号任务手册》[3]

那同样采用先环绕器入轨,再择机释放着陆装置的天问一号呢?按目前公布的时序来看,天问一号着陆巡视组合体进入大气层的速度约4.8 km/s,整个着陆过程大约需要8分钟。

这是天问一号的“恐怖八分钟”▼

来源:果壳(对的对的,蒙酱和果壳合作了这期长图呢,赶紧去看!)

5、着陆在哪里?

天问一号最初选了2个备选着陆区,有趣的是也和两艘海盗号(Viking 1和Viking 2)很像,分别是1区(克律塞平原)和2区(乌托邦平原) [1]。

来源:参考文献 [1]

根据天问一号项目组最近在《自然·天文》上发表的任务介绍,目前进一步拟定的着陆区是2区(乌托邦平原)[4]——和NASA的洞察号、毅力号任务相对比较近(注意:不是火星车行驶可达的那种近啊别误会!)。


不过,具体的着陆区还要等到环绕器实际打探过一番才会最终确定,还要再等等啦~


6、天问一号,要探测什么?

环绕器携带7种科学仪器,火星车携带6种科学仪器。注意,这里说的都是“科学”仪器,事实上探测器还会携带诸多工程仪器,例如避障相机、监视相机、惯导装置等等。

环绕器科学仪器位置▼

(天线展开状态未显示)

火星车科学仪器位置▼

火星车高约1.85米,重240公斤。已经尽力还原了orz。火星车是根据2019年的会议摘要中图还原的,跟新公布的火星车外形有一些差异,接下来还会根据实际资料完善的。参考资料: [4, 5]

这其中有些我们在嫦娥任务里就接触过的“老朋友”,例如玉兔号和玉兔二号搭载的次表层雷达( 测月雷达),不过玉兔(二)号的两种频率雷达在尾部和底端,而天问一号火星车两种频率的雷达都在前端(总有一种一个没刹住车会戳到自己的错觉orz);也有一些我们没有见过的新盆友,例如天问一号火星车上的成分探测仪,这是一个和好奇号化学相机相似的“激光笔”,通过高能激光烧灼来远程探测物质成分(老帅了)。

有机会接着安排一期详聊一下每个仪器~不然这期写多了你们又不看了…

整理汇总一下,就是从火星空间环境、到表面、到次表层、到内部结构都一网打尽▼

还是很全面滴.jpg

火星车计划开展约90个火星日的巡视探测;而环绕器则计划开展约1个火星年(约2个地球年)的环火星科学探测。不过在此之前,我们下一个迎来的激动时刻还是抵达火星和“刹车”减速进入环火星轨道(近火制动)啦。一步一步来~

从地球到火星,天问一号需要克服哪些困难?文章戳: 为了去火星,天问一号做了哪些准备?。了解更多戳: 我国首次火星探测任务命名为「天问一号」,你对行星探测任务「天问」有哪些期待和祝福?

总之,六个半月后,火星再见!


致谢

本文感谢@天才琪露诺的审稿~

本文感谢澳门科技发展基金(FDCT 0042/2018/A2)的支持


出品:科普中国 @中国科普博览

制作:haibaraemily

监制:中国科学院计算机网络信息中心




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本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。


参考文献

[1] Ye P J, Sun Z Z, Rao W, et al. Mission overview and key technologies of the first Mars probe of China. Sci China Tech Sci, 2017, 60: 649–557, doi: 10.1007/s11431-016-9035-5

[2] What to Expect When InSight Lands on Mars

planetary.org/blogs/emi

[3] NASA |Viking Press Handbook

solarsystem.nasa.gov/mi

[4] Wan, W. X., Wang, C., Li, C. L., & Wei, Y. (2020). China’s first mission to Mars. Nature Astronomy, 4(7), 721-721.

[5] 李春来,刘建军,耿言,等. 中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置[J]. 深空探测学报,2018,5(5):406-413.

编辑于 2022-03-03 17:45

视频来了!天问一号探测器发射升空

刚刚,中国首次火星探测任务天问一号探测器,由长征五号遥四运载火箭发射升空。

转发祝贺!天问一号探测器成功发射 中国迈出行星探测第一步

7月23日12时41分,我国在中国文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探测任务天问一号探测器,火箭飞行约2167秒后,成功将探测器送入预定轨道,开启火星探测之旅,迈出了我国行星探测第一步。天问一号探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后,到达火星附近,通过“刹车”完成火星捕获,进入环火轨道,并择机开展着陆、巡视等任务,进行火星科学探测。

编辑于 2020-07-23 13:30

2分钟告诉你,本次“天问1号“的探测最重要的任务是什么?

2分钟告诉你,火星探测器着陆的最大难点是什么?

2分钟告诉你,今年7月各国火星探测任务有什么不同?

编辑于 2020-07-23 12:56

长征五号遥四运载火箭在中国文昌航天发射场成功上天赴火,中国首次火星探测任务「天问一号」顺利实施,我国正式开启行星探测时代!
「天问一号」火星探测器发射瞬间!

「天问一号」火星探测器发射完成版

编辑于 2020-07-23 13:40

干就完事了!

早该这么干了,回过头去看,冷战真是人类的黄金岁月。

人类1961年进入太空,1969年登上月球,1971年建成世界上首个空间站,在那段人类进行太空探索的黄金岁月里,差不多每隔十年就整个大活,就连苏联行将解体,冷战即将结束的1991年,苏联居然还在测试暴风雪2号航天飞机。太空探索甚至成了各大主要政治力量的政治合法性的重要来源,连后发国家都不甘居人后,想方设法的以各种方法参与到太空探索的进程中来,独自搞不了太空探索的小国就搭伙一起过日子,或者去蹭大国的舱位,一时间形成了各显神通,钻头觅缝和百花齐放的局面。

翻看那个年代的未来畅想,都是21世纪人类在太空中傲游。

然后21世纪过了五分之一了,我们遨游个屁的遨游,我们还在地球上吃灰,吃前人的遗产,吃老本,连太空歌剧都跟着一块完犊子了,现在一提起科幻,不是赛博朋克近未来反乌托邦就是末世废土生存剧,要么就是一转修仙,我都不知道人类究竟是惧怕仰望太空还是羞于面对前人,亦或兼而有之?

明明机械飞升是最适合搞太空探索的技术方式,然而一提起机械飞升人们脑子里还是只有赛博朋克,一堆义肢古惑仔在外立面LED照明化的水泥盒子之间勾心斗角互相算计,搞一些迫真高科技的街头混混行为。

然而再高科技的混混,他终究是个混混。

我们对科技和未来的想象居然已经变的如此猥琐,如此佝偻,如此不堪,还不自知!

你再看看现在,我们整天都在忙着搞些啥?最大的太空新闻居然是忙着研究低成本可重复使用火箭。

主要议题是啥?收铸币税,念左右经,贴大字报,戴口罩和不戴口罩,戴口罩和不戴口罩衍生出来的形而上学问题,戴口罩和不戴口罩的反思与辩证关系。

这tm都是些什么乱七八糟的东西?

能不能偶尔做点正事?都21世纪了各位,一台破手机的算力都超过阿波罗的主控计算机了,求求你们行点人事吧。

还整天说冷战思维冷战思维的,可别埋汰冷战思维了,那叫冷战?那分明叫黄金时代!冷战思维应该是一个褒义词!那会的人类英雄辈出,传奇故事鳞次栉比形同常态,敢于做大手笔,搞大事情,整大活,上能九天揽月,下可五洋捉鳖,把原子拆碎了又聚合,在月球上插旗,在轨道上实现常态化存在,做的是功在当代的事迹,想的是星辰之间的荆棘坦途,怀的是功成不必在我的气魄,创的是利在千秋的伟业!他们用简陋的技术做到的事情,是我们吃着专利税却想都不敢想的宏愿!

一堆人扣扣索索的在地球上互相垮起个批脸,争先恐后cos阿Q,无利不起早,星空不敢仰望,算账比猴还精,我称之为人类师爷化。

恶心啊,我都关着灯,你哪怕放卫星丢垃圾呢?放点,花不了多少,哪怕偷偷摸摸的?

干点大事,别再给先人丢脸了,先人就那么点脸,还能供我们丢几天?有朝一日脸丢尽了,无脸可丢了,怎么办?大伙分行李回家吹灯拔蜡死了拉倒?

编辑于 2020-07-23 13:56

借此话题引申一下:

基于人的群体心理,如果我国有能力投入X元钱,能实现类似 “在美国人每天争论性别到底有几种时,率先建立火星基地,整日向全球直播中国人在火星上种菜” 这种性质的 “奇观” 的话,因此 “奇观” 的存在对全球群体心理的必然影响,而可能节省下来的,本需要耗费在类似中美对抗、代理人战争、全球收买等事项上的财富Y,很可能会远大于X。即,X这笔钱,会花得超级值得。

当然,这里也就是说个方向性的逻辑。现实层面上,这并不太有可行性。中美两国在航天领域的差距,依然不小。而人类距离有能力建立火星基地,更是遥远。

反正钱花在这种事情上面,不论X等于 “几独”,都是值得的,高效的,美好的,奋进的。

发布于 2020-07-23 20:16

这是今年以来,最开心的事情。

疫情、灾难、贸易战、国际争端......这些并没有挡住中国航天人星辰大海的脚步。

“天问”向着火星飞去,华夏的这份浪漫,从楚辞里走出,走向了浩瀚宇宙。

长五遥4,将会把五吨重的火星探测器,送到火星上去。火星有多远?地球到火星的最近距离约为5500万公里,最远距离则超过4亿公里。这次任务,要通过地火转移轨道飞七个月之久,到达火星附近,被火星引力捕获,绕火星飞行,再进行降落探测,这个难度是相当大的。


我们与“天问”之间的通信时延也会非常长,最长的时候,会有22分钟之久,发射时机更是难得,每26个月才有一次窗口期。

从宇宙的视角看,这只是在银河系第三悬臂的蛮荒之地上的一小步,但却是中国航天的一大步,是中华民族在宇宙中“长征”的开始。人类历史上,火星探测一共40余次,成功只有24次,成功率只有一半,但该往外走,就要往外走,探索和追寻,是人类永恒的梦。

人类本该有更高的追求,更远的目标,而不是在小小的摇篮里搞门户私斗,封闭的系统会扼杀我们的浪漫情怀和理想主义。

我们不能只想着自己眼前的利益,我们要考虑孩子,考虑未来。想一想啊,为什么今天还有那么多的“苏粉”、“美粉”?其实可以理解,当年美苏争霸,也是人类文明最辉煌的一个时期,我们看着他们比科技、比理想、比“星辰大海”。一个是共产主义的火炬,一个是资本主义的灯塔,引世界英雄竞折腰。在苏联“死去”后,这个世界长时间令人失望。

我们的起步太晚了,能够有今天的成就,已经是奇迹。但从客观上来说,我们相比巅峰的美苏,在科技、文化上影响世界的东西,太少了。光靠经济实力、实用主义,是成不了“灯塔”的,也无法吸引全世界最优秀的人才来投奔。要知道,巅峰的苏联,是能吸引美国科学家跨国去追随的,我们需要更多理想主义的情怀。我们需要成为一面旗帜。

要有理想主义的追求,还要有实现理想的现实主义手段。

编辑于 2020-07-23 16:32

七月,宜上“火”~

技术上的很多内容, @太空精酿 的回答里都讲了

在看到这条新闻的时候,大多普通网友就已经为这次任务盖章。但你既然刷到了这条视频,就知道事情远没有这么简单——对于航天人和科学家来说,“成功?还有很长的路要走呢”

有朋友说,这个任务难吗?美国已经在过去的几十年内往火星上发射了很多次探测器,成功了不少,现在已经2020年了,只是送一个探测器去火星,难道不是很容易?

我们可以很肯定地说,不是。在聊今天的主题之前,我们先把这个误区给大家解释清楚,去火星这事相当不容易。

今年有三个探测器奔赴火星,但即使是已经有了数次成功经验的美国,我相信他们也不会觉得去火星是件简单的事。

为什么?我给大家看两组数字。

第一组:50%。

这是人类开始火星探测至今的60年里,火星探测大致的成功率,是不是觉得还可以,至少有一半成功?那么,看下对比,人类金星探测的成功率约77%,月球探测的成功率约76%。而火星就一半,所以火星拥有了“探测器坟场”的诨名。

第二组:5500万公里-4亿公里。

这是地球和火星之间的距离。最远的时候,超过了4亿公里。我们每晚抬头都能看到的月亮,距离地球有多远呢?36.3万——40.5万千米。地火距离是地月距离的几百倍,结果就是,探测器去往月球的话几天就能抵达,去往火星的天问一号在路上却要花掉漫长的7个月。

天问一号不仅要孤身一人走过这段很长的路,还准备挑战“一箭三连”——一口气搞定环绕、着陆、巡视,为我们带来更多对火星的认识。

要完成难度这么高的任务,航天人和科学家一定是全程密切关注、坐在电脑旁,对天问一号下达各种指令,进行精密操作吧?

你的脑海里是不是已经有画面了——

然而,实际情况大多数却是——

这里我们再补充一个背景知识,受制于通讯,天问一号在深空的大多情况下是无法被远程协助的。

有的朋友比较内行,可能会纠正我说“不对!为了解决探测器远程探测的难题,深空探测天线站佳木斯站、喀什站,海外测控站,都在建设、更新,中国将逐渐拥有在地球和宇宙之间近乎无死角的深空通信能力。有图有真相!”

说的没错。不过,我们还是没办法实时操控奔赴火星的天问一号,主要还是因为地球到火星实在太远了,信号传输需要时间。

当地球与火星处于最大距离时,通信信号光速传输单程就需要22分钟!22分钟的延时是什么概念?想象一下这个场景——你开启了一把紧张刺激的实时竞技游戏,开局,你发出了“请求集合”的信息,你的队友们在22分钟后,收到了这条莫名其妙的信息并看了看他眼中呆若木鸡的你,看了看惨败的战绩,点击了“收到”并集体将你举报。

也就是说,天问一号大多时候必须独立作业来规避延时。

可以这么理解,她初次上场,刚出地球这个新手村,便被告知“你已经是一个成熟的探测器了,要尽量独立解决前所未有的难题,我们已经把秘籍都传授给你,带着全村的希望,出发吧!”

那么,这个“被迫成熟”的探测器是如何决胜千万里之外,进星赶考,独当一面的呢?这个问题正是接下来我们要聊的主题,我们结合着她的三个目标一起说:

目标一:火星环绕。

顾名思义,就是一圈一圈环绕着火星并在过程中展开各项探测。

想要进行环绕,就要先从地球到达目的地——火星轨道。这个难度相当于——从巴黎打一个高尔夫球,正好落到东京的某个球洞里。靠奇迹吗?不,靠科技——从地球飞抵这个轨道,探测器需要6至11个月的时间。

期间会受到太阳系内多个天体的引力扰动,还会受到太阳风、空间辐射的干扰,探测器会通过内置的陀螺仪、天文导航、多普勒导航等多种系统来对自身的姿态与位置进行确认,同时与地面超算平台得到的轨道进行比对,进行调整。

而且,火星质量仅有地球的10.7%,与地球相比非常轻,引力影响范围很小,所以,本来高速飞行的天问一号到了火星附近时,还必须及时刹车,准确滑入环绕火星轨道。这些动作不仅要一气呵成,还不能出一点差错,否则便是“星际迷航”,且没有“回头路”可言。

目标二:火星着陆

经过2~3个月的环绕,有了环绕时的测绘积累,天问一号对着陆区将会有更多了解,按照计划,天问一号的环绕器和火星车、着陆平台会进行分离,轨道探测器留在火星轨道继续空中探测,火星车和着陆平台将执行惊心动魄的第二个目标——在“探测器坟场”跨过鬼门关——下降并着陆。

在这无法人工干预的短短八分钟之内,探测器需要先把速度从每秒4.8千米的降为0。火星着陆器需要隔热罩、降落伞、反冲发动机等联合工作。这个降落过程有超过1000个动作,全部靠探测器自主完成。

接下来,当距离地面100米时,它还要悬停。此刻,探测器相对地面的速度已经是0了,需要看一下地面有没有坑、有没有大的石头,对这些障碍物进行规避,调整一个相对安全的位置,保证顺利落地。

目标二的时间很短,大概有7到8分钟,但却是整个任务的关键和难度巅峰,人类一共有15次火星着陆任务成功进入了火星大气层,但只有8次任务成功着陆并顺利开展探测工作,近一半的考生在这一关卡“名落孙山”。

目标三:火星巡视

火星车与着陆平台平稳降落后,将在火星上走走看看,开展科学探测。

“天问一号”有五大科学目标,主要涉及空间环境、表层环境、地下浅表层结构等研究,火星车上携带的6种载荷将对相关科学问题开展探测,比如大气环境测试仪,可以获取火星温度、风力等信息。

这些问题听起来很枯燥,但其实我们关心的那些问题——比如,火星上有生命吗?人类有可能移居火星吗?这些科学问题都需要通过细致的研究才能回答。可以说,天问一号在火星走出的每一小步,都是中国深空探测的一大步。

这里,我们想再说一点感想。

从宏大的空间尺度看,地球不过是太阳系的暗淡蓝点,天问一号更是无比渺小,微不足道;从长远的时间尺度看,终有一天我们会冲出地球、冲出太阳系,踏足其他行星甚至其他星系,到那时,天问一号也许早已被淹没在时间长河里,成为历史的一部分。但我们仍然希望,无论到何时何地,我们都能记住开启了中国行星探测历史的天问一号,因为它寄托着中华民族自数千年前就开启的问天梦想,承载着我们最初的、无穷的想象和勇气。

编辑于 2020-07-23 14:00

宇宙如此浩瀚,你有没有想象过外星人?

人类是一个害怕寂寞的种族,回顾我们的宇宙探索历史,处处可以看见外星生命的身影。无论是住在星星上的古代神祗,还是19世纪末公布的火星“运河及道路分布地图”,寻找生命同类一直是一个永恒的话题。

01. 画满运河和道路的早期火星地图 | 由19世纪意大利天文学家乔凡尼·斯基亚帕雷利绘制。2017年,欧洲空间局以他的名字命名了一台火星登陆器,但在着陆时坠毁。图源@Wikipedia

1898年,科幻小说《世界大战/War of the worlds》出版发行,开始了自己畅销一个世纪的传奇。小说里,火星人乘坐高大的机械载具登陆地球,闯进人类的生活,寂寞变成了恐惧。

02.火星人的巨型地面载具形象|赫伯特·乔治·威尔斯的著名小说《世界之战》中的形象,由巴西艺术家恩里克·阿尔维姆·科雷亚在1906年的绘制,颇受威尔斯赞赏。图源@openculcure.com,公共领域

一百多年过去,人们对太阳系里的各个星球有了更真实的认识。火星人消失了,大运河也变成了大峡谷,著名的人面石则变成丑陋山包,令无数少年的瑰丽想象化作泡影。

03.火星人面石永远留在了传说里| 1976年,火星探测器海盗1号首先拍摄到模糊的人面石,它在20世纪最后的20多年里引爆了巨大的想象力,并频频现身影视作品,直到被世纪之交拍摄的更清晰照片击碎了所有想象。图源@美国国家航空航天局 NASA

恐惧消退,但人们对于火星生命的好奇仍在继续。它们融入了流行文化,在21世纪的电影和游戏里继续屠戮地球人。

04.电脑游戏“星际争霸2”中的神族地面作战单位Collosus/巨像| 它的原型可以追溯到小说《世界大战》里的插画,已经成为网络时代的经典形象之一。图源@星际争霸2游戏截图

被好奇心引领的科学家们,也从未停止在地球和火星寻找火星生命迹象的努力。

这是一个火星大发现的时代,2020年的火星探测器发射窗口季已经开启,来自中国、美国和阿联酋的机器人大军正蓄势待发,将要去验证人类对火星生命的种种最新发现。

要是发现了火星“人”,请一定不要让它们跑了!


01、等等,地球上发现火星生命了?

不要惊慌,确实有一些科学家认为,我们可能已经在地球发现火星生命的迹象了。它们不是隐藏在人群中的某个小绿人,整天暗搓搓地想要玩转地球,而是隐藏在火星陨石里的微观线索。

05.火星上的撞击坑 | 当有小行星剧烈撞击火星时,一些特定情况下可能使一些石块飞入太空,变成一块“流浪火星”。Orcus Patera可能就是众多撞击坑之一,它形状怪异,长380千米,宽130千米,像是一颗小行星以很小的角度剐蹭了火星表面。但也不排除是火山成因。图源@欧洲空间局 ESA

1984年,美国科学家在南极发现了一块编号为ALH84001的陨石。它在实验室吃了十几年的灰以后,终于在90年代中期被证实来自火星。

06.科学家在南极找陨石 | 南极是世界上最容易发现陨石的地方,因为这里既没有人类活动,也没有流水冲刷、泥沙掩埋,陨石容易随着冰盖冻结而保存下来。南极横贯山脉附近最容易找到陨石,因为冰盖的流动遇到山地阻碍,深层的古老冰体会涌出“地表”,将携带的陨石暴露出来。图源@NASA

一夜之间,这块陨石变成了科学家们的座上宾,但使它成为第一代“网红”陨石的,是后来在它内部发现的一些奇奇怪怪的东西

07.ALH84001的电子显微镜照片| 这些棒状和球状结构引起人们的浓厚兴趣,它们会是生命的迹象吗?图源@Wikipedia

在显微镜下,这块陨石里有一些奇怪的结构,曾被解释为微生物化石。此外,它也含有丰富的有机质,也曾被解释为可能由地外微生物活动形成[1, 2]。

但反对的科学家并不买账,因为非生命过程也能产生类似的结构[2],而且它的有机质也大多来源于落地以后的污染,只有很一小部分算是来源不明[3, 4]。考虑到宇宙中的有机质并不少见,甚至连不少碳质球粒陨石里也有,ALH84001陨石的火星生命猜想逐渐失宠。

人们希望得到更多证据,最好是一块更干净更新鲜的火星岩石来开展研究。

巧合的是,它真的就来了。2011年7月18日凌晨2时,伴随着巨大的爆炸声,一颗火流星从天而降,在人们眼皮子底下,消失在摩洛哥塔塔省境内Tissint城附近的沙漠里。

08.2013年2月俄罗斯车里雅宾斯克火流星事件 | 车里雅宾斯克陨石坠落时,在更遥远的俄罗斯西部地区拍到了火流星在破晓前坠落的影像资料,可以帮助我们想象Tissint陨石夜间坠落时的场景。图源@社交网络

各路科研机构和陨石爱好者蜂拥而至,很快就为这些陨石碎片验明正身:这正是一些无比新鲜的火星来客,人称Tissint陨石[5-7]

09.Tissint火星陨石 | Tissint陨石碎成了许多块,散布在沙漠里,每年都会有人发现新的样品。图源@Wiki commons

在Tissint陨石内部,人们发现了很多复杂有机质,来自中科院的科学家们还找到了它们来自火星的确凿证据[8-12]。更有趣的是,这些有机质与地球生命物质具有相似的稳定碳同位素特征,比如常见的煤、石油,还有海底的生物残渣[5-7],但与火星或地球自然环境(如大气及岩石)的碳同位素特征都不相似[9]。

10.Tissint火星陨石的有机质稳定碳同位素比值特征 | 它的碳13同位素比值落在-30至-15区,表示含量偏低,与地球有机质的特征类似。图源@文献[9]

在地球上,生命活动倾向于利用质量更轻的碳12稳定同位素,所以地球的自然环境(大气、水、岩石等)比生命物质更加富集碳13,这一现象被称作生物的碳同位素分馏作用[13]。

如果地球有机质的碳同位素特征源于生命活动,那么火星有机质的相似特征源于哪里?答案似乎不言而喻。

11.生物的稳定碳同位素分馏作用 | 由于碳12比碳13轻、化学活性更好,因此在很多生理活动中被优先利用,包括植物光合作对二氧化碳的吸收。这使植物比大气更富集碳12,而这种特征会随着食物链保存到动物体内,使生物界与自然界产生碳同位素富集特征的差异,实现“分馏”。制图@王申雯/星球科学评论

这一发现令人振奋,因为人们早已认识到火星曾经有过江河湖海,Tissint陨石则表明火星的地下水里曾经富含有机质,而且它们有可能源于某种类似地球生命活动的过程[12]。

就连中国探月工程首席科学家欧阳自远院士也不由得感叹道,这是迄今为止人类得到的关于“火星可能存在过生命活动的最有力证据和重大突破”[14],没有之一。

12.火星盖尔(Gale)撞击坑古湖复原图| 好奇号火星车在盖尔撞击坑工作了数年,证实了它曾经是一个湖泊——不过火星有过水早就不是什么新闻,人们更好奇水里是否有过生命。图源@wiki commons

但我们还需要更好的研究材料,最好能彻底排除掉来自宇宙有机质的干扰因素。这意味着,我们需要动用最尖端的科技,去火星上真正找到有机质甚至生物结构[15]。是时候登陆火星了。


02、走,我们去火星

截至2020年,一共有8个美国探测器成功降落火星。另外还有7个来自美国、苏联和欧盟的探测器着陆时坠毁,或落地后很快损坏。

13.历年火星登陆器和火星车分布图| 人们一共向火星发射过15个着陆器,8个成功落地展开工作,还有7个不幸坠毁或着陆后很快就损坏,阵亡率高达46.7%,可谓豪赌。制图@郑伯容/星球科学评论

它们将火星的种种细节展现在世人面前。从精确的地形地貌,到四处游走的尘卷风,火星表面的自然现象被人们一览无余。

14.火星荒原上的尘卷风| 一种贴着地面的小型旋风,地球上也经常出现。由机遇号火星车拍摄。图源@美国国家航空航天局 NASA

从浓度随季节波动的甲烷,到岩石里的简单有机质,那些肉眼看不见的物质也在仪器下显露踪迹[16, 17]。

15.火星地表甲烷浓度随季节波动图 | 甲烷是一种简单的有机气体,尽管含量极低,但它的浓度却随季节波动,表明甲烷的释放源存在某种变化。图源@美国国家航空航天局 NASA

从地表以下几厘米处的固体水冰[18],

16.火星北极附近的地表水冰 | 图片的彩色是NASA的工程师们根据原始黑白照片合成的,用白色表示水冰。由凤凰号探测器挖掘发现。图源@美国国家航空航天局 NASA

到火星北极附近地下1500米处的疑似含水层[19],液态水和冰层的存在无疑为寻找火星生命打下了良好的基础。

17.火星地下疑似含水层示意图| 火星快车轨道探测器搭载的探地雷达,从高空探测到火星地下深处存在液态水的迹象。图中白色线条是某些地层的成像,成像特别强烈的区域被标蓝,科学家认为它们体现出含有液态水的特征。图源@欧洲空间局 ESA

其中有没有一些现象可能与生命活动相关?当然有。

比如前文提到的甲烷,它的含量变化一定受到某种地下源头的控制,有可能是某种潜在的产甲烷微生物,也不排除是某些岩石与水的天然反应。

在地球上,科学家可以通过碳同位素特征来加以区分。但在火星,尽管一些登陆器具有同位素检验能力,如好奇号火星车,但现在还没有甲烷的碳同位素特征结论[20-22],或许是因为甲烷浓度太低,难以取得有效样品。

此外,即便测出了火星有机质的碳同位素特征,也很难直接用来说明生命活动,因为我们对火星碳元素的活动规律还知之甚少,尚未构建出较完善的碳循环体系[33]。

18.火星甲烷的几种可能来源示意图 | 甲烷是简单的有机物,既可以由生物活动产生,也可以由水岩反应产生。图源@美国国家航空航天局 NASA

又比如一些类似化石的特殊结构。2018年1月,好奇号在一块岩石上找到了一些形状规整的“米粒大小的棒状”立体结构[24-25],很快引起了地质学家们的浓厚兴趣。

19.火星岩石上的毫米大小棒状立体结构|在发现这些结构后,好奇号团队特意改变了火星车的预定线路,去这块岩石附近一探究竟。后来,初步的研究结果认为,这些可能只是形状特别的矿物,但也不能完全排除生物活动遗迹的可能性。图源@美国国家航空航天局 NASA

因为它们像极了海底小虫在泥沙里留下的虫孔。当泥沙变成岩石后,这些虫孔也一并保存下来,成为生物遗迹化石,在地球的岩石中非常常见。

20.海底生物在沉积物中活动钻孔示意图| 即便没有保存下生物实体,但沉积物里的虫孔也可以反映生物活动的迹象。图源@名古屋大学,文献[26]

但除此以外,好奇号和其他的火星登陆器都未能在土壤里找到复杂有机质(碳链长度超过10)。或许是因为火星大气稀薄且磁场很弱,地表受宇宙的射线持续轰击,严重破坏表层有机质[15, 23];或许是因为设备会对样品进行加热,复杂的长链有机质被分解成碎片了;也有可能是降落的地点不够理想,本就缺乏有机质。

总之,人们现在还没有在火星上发现可靠的生命迹象,反而产生了更多的疑问,需要未来的探索继续解释:

火星的地表找到了浅层水冰和深层疑似含水层,是否还能找到浅层地下水?

火星的地表找到了简单的有机质,是否还能找到残存的复杂有机质甚至生命痕迹?

火星的地表饱受宇宙射线摧残,是否能在地下深处找到更加完整的复杂有机物?

21.好奇号在火星泥岩表面钻孔取样 | 钻孔取样可以研究岩石的内部组成。但好奇号的钻头只能钻取几厘米深的样品,地下更深处有什么,现在还是个谜 。图源@美国国家航空航天局 NASA

如果找到了足够的有机质,能否建立起火星的碳循环系统?

如果找到合适的样品,能否发现类似地球生命物质的碳同位素特征?

……

这些基本科学问题摆在了各国科学团队面前。它们不但事关人类对火星的进一步认识,更事关火星生命是否真的存在(过),也事关人类这个物种在太阳系中是否真的无比寂寞。

就像著名科学家、科普作家卡尔·萨根说的那样,“非凡的主张需要非凡的证据”。2020年的这个火星探测季,正是为了寻找那些非凡证据而生。

如今,“舰队”已经起航,目的地,火星!

22.阿联酋“希望”号探测器发射升空 | 2020年火星舰队的第一艘探测器已经踏上征程。图源@VCG

03、火星“舰队”,行进中!

寻找火星生命和认识火星本身,是人类探索火星的两大根本任务。数十年来,我们在认识火星的角度已经进步非凡,但在寻找火星生命的角度基本还在原地踏步。

2020年的这个夏天,三个火星任务将携带四台不同使命的探测器飞向火星,它们会为人类探索火星生命再建新功吗?

23.2020火星探测“舰队” | 准备再建新功的三个任务、四台探测器。其中美国“毅力号”火星车携带了一个微型直升机“机智号”,但它没有探测能力。制图@郑伯容/星球科学评论

7月20日,阿联酋“希望”号火星环绕器率先从日本发射。它将专门针对火星大气展开全天候监测,刷新人类对火星大气层、气候和天气现象的认识,但对生命迹象的探索,不在其任务之列[27, 28]。

祝它入轨成功,完成自己的使命。

24.希望号火星轨道探测器设备图解 | 图源@阿联酋火星任务官网,emiratesmarsmission.ae

7月23日,中国的“天问一号”火星探测器组合从海南文昌发射基地腾空而起。它由一台火星环绕器和一台火星车组成,可谓“天地双雄”。

25.天问一号的“天地双雄” | 天问一号的环绕器和火星车组成分别承担着不同的探测任务。图源@文献[38]

它们同时承担着认识火星和寻找火星生命两项任务,重点是“全面认识火星”。为了实现一次探测就追赶上先发国家数十年的积累,天问一号整合了多种设备,让它真正具有三头六臂的本事,能够对火星的磁场、电离层、大气层、空间物理、地形地貌、地表物质和地下结构展开全方位立体化研究[29]。

寻找生命则是天问一号的次要目标,侧重点是寻找可能适合生物生存的地下水、冰环境。为此,天问一号将把两台探地雷达送到火星,一台随环绕器留在高空,另一台随火星车登陆地表。

26.天问一号探测地下水冰结构 | 通过两台探地雷达共同探测火星地下结构,是天问一号探测器的一个亮点。而对磁场、电离层、大气层和地表物质的研究,都是为了更好的认识火星。制图@云舞空城&王申雯/星球科学评论

这是继2003年的“火星快车”环绕器之后,人类第二次把这类设备送进火星轨道,第一次送上火星。它们将以天地互补的方式,共同探测火星的地下结构,试着寻找水层、冰层,为探索火星生命的可能生存条件贡献力量[29]。

半年前,我国嫦娥4号团队发布了世界首张月面以下40米的雷达探测结果图[30],让世人第一次用肉眼看到了月面之下的地质结构。火星任务中又出现了探地雷达的身影,当代中国航天人似乎正在为后人构建一个新的“优良传统”。

27.玉兔2号月球车获取的月球地下结构示意图| 受探地雷达精度限制,探测能力只有40多米。深灰色团块表示大块的岩石,小点表示细颗粒物质,整体具有一定的层次感。图源@文献[30]

当然,天问一号的能力也受到了载荷及尺寸限制。比如,没有像个头更大的好奇号一样,安装可以钻孔取样的机械臂,火星车“只能看,没法摸”,甚至没法自拍。

28.自拍狂魔好奇号 | 好奇号是一台自拍成瘾、极其自恋的机器人,而NASA的图形工程师会特意通过叠加多张照片,来消除机械臂的痕迹,让你察觉不出它是自拍。图源@NASA

除此以外,天问一号火星车未搭载检测有机物的设备,也未搭载同位素特征研究设备等,这使天问一号基本不具有寻找火星生命物质的能力[29, 40]。

不过古话说的好,万事开头难,相信在未来的天问任务里,这些设备一个也不会少

祝天问一号顺利入轨、登陆成功、首战告捷。

29.天问一号登陆器及火星车| 让五星红旗在火星留下印记。截图@央视新闻

第三个出场的,是美国的“火星2020”火星探测器组合。它将于7月30-8月15日从佛罗里达的卡纳维拉尔角发射升空。

作为世界上进行火星探索最多、技术积累最丰富的国家,美国毫不意外地再一次引领了潮流:一台十分高级的“毅力号”火星车,外加一台外形科幻的“机智号”微型直升机,也可以算作火星上的“天地双雄”。

30.美国“火星2020”探测器组合 | 本次任务中,机智号直升机仅用于验证飞行技术,没有携带任何科学设备。图源@美国国家航空航天局 NASA

作为好奇号火星车的升级版,毅力号除了要继续认识火星的各种特征之外,还特别加强了直接寻找古代生命物质的能力,并将它作为本次火星探索季的亮点[31, 32]。NASA的科学家们也因此将落点选取在一处古代三角洲附近,这是最有可能保留下古代有机质及生物化石的地质结构之一。

31.Jezero撞击坑边缘的古代河流三角洲 | 这是毅力号火星车的登陆地点,科学家们希望能够在这里直接找到生命物质或生物活动的迹象。图源@美国国家航空航天局 NASA

在它的机械臂末端,安装了一台紫外光拉曼-荧光光谱仪,这是人类首次将该类设备送上火星,对有机质具有强大的检测能力。它比好奇号及其前辈们的气相色谱-质谱仪的测量范围更广,而且无需对样品进行加热处理,避免了有机质分解,可以检出更多更复杂的有机质[39],试着从中解读出专属于生命的特征物质。

除此以外,毅力号也携带了一台探地雷达,但由于缺少了轨道探地雷达的配合,或许比天问一号还是稍逊一筹。

另外两项有趣的设备是制氧机和样品保存箱,前者是为了日后人类登陆进行制氧技术验证,后者则是寄希望于未来能将采集到的的样品带回地球,让科学家们真正去触碰来自火星的珍宝——也许,人类科学家的眼睛,真的能比机器人好使。

32.毅力号火星车搭载设备示意图 | 总体上与前代好奇号火星车大同小异,只是更换了一些新的设备。底图@美国国家航空航天局 NASA

毫无疑问,毅力号火星车是这个火星探索季里实力最强悍、最有可能找到生命迹象的探测器。祝愿它顺利登陆火星,早日解开火星生命的密码。

33.毅力号火星车的“麒麟臂” | 毅力号与好奇号最大的不同就是机械臂末端的设备,SHERLOC,寻找火星生命的重担就交给它了。图源@美国国家航空航天局 NASA

三台各有千秋的探测器,构成了今年下半年最值得期待的火星探索“舰队”。

能力有大小,贡献无高下,只要能够顺利抵达火星并开展工作,它们便会是全人类共同的英雄,不仅为各项目国家提供新鲜的科研数据,也将为全人类加深对火星的认知。

说到这里,喜闻乐见的吐槽环节来了。

本来,今年的火星舰队还有一个名额,它是欧洲空间局ExoMars(火星生命)探测任务的后续任务,罗莎琳德·富兰克林号火星车。

34.一直未能最终完成的ExoMars任务 | 斯基亚帕雷利登陆器尸骨已寒,可是罗莎琳德·富兰克林号火星车还在地球上沉睡。底图@欧洲空间局,ESA

它有一台可以钻至地下2米的钻机,可以获得不受宇宙射线破坏的样品。它的有机分子分析仪集成了两种检测手段,用来分析复杂有机大分子是否存在、有什么特征,锁定潜在火星生命的物质证据。它同时也携带了用于探知地下结构、寻找地下水冰的探地雷达中子探测器[33, 34]。

35.罗莎琳德·富兰克林号火星车设备示意 | 如果2018年发射,它的钻井设备、探地雷达和强大的有机分子分析仪将使这台火星车成为耀眼的明星,可惜它睡过头了。图源@欧洲空间局,ESA

简单的说,这也是一台相当强悍的火星生命物质探测器,放在2018年,绝对算得上头把交椅,寻找生命物质的能力全面超过了2011年发射的好奇号火星车,被人们寄以厚望。

然而,它却一次次让人们失望。

36.仍在地球沉睡的ExoMars火星车 | 咕咕咕咕咕咕咕咕,好像有鸽子在叫?图源@欧洲空间局,ESA

原计划2018年发射的登陆器先是延期到了2020年,然后又在前不久宣布延期到2022年。火星有没有外星生命物质姑且不论,但一群画着欧洲空间局标志的鸽子,似乎正在5500万千米外的火星荒原愉快飞翔?

不管怎么说,火星“舰队”从4组探测器变成3组,终究是一件遗憾的事情。或许正是因为缺少这台专为寻找火星生命而生的探测器,本轮火星探索季变得不如预期中那样精彩。

但我们始终相信,好戏肯定会在后面。

半年多以后,三台探测器将陆续抵达火星,开展各自的工作,刷新人们对火星的认识,甚至有可能获得关于火星生命的新线索。

37.地球-火星转移轨道示意 | 当地球与火星到太阳的夹角为45度时,是向火星发射探测器的最好时机。通过精心设计的霍曼转移轨道,探测器大概只要7-10个月就能抵达火星,而这样的机会大约每两年出现一次。制图@郑伯容/星球科学评论

未来几年,印度,俄罗斯等其他国家也将陆续开启新的火星探索任务,越来越多的机器人将登上这颗红色星球,加入认识火星、寻找火星生命的狂欢。

再过十几年,人类或许将尝试亲自登陆火星,用我们的手和眼来真正终结“火星究竟有没有生命”这一持续了数百年的谜题。

38.从月球到火星 | 人类的脚印,终有一天将会从灰色的月球土壤延伸至红色的火星土壤。图源@NASA

火星之外,还有更大的太阳系,那些巨行星的卫星上是否隐藏着生命,这是本世纪后期的人们将要解答的问题。

39.土卫二是另一个生命热门星球 | 根据卡西尼号的观测结果,这个卫星存在冰下海洋和海底热水活动,也许有条件孕育生命。图源@美国国家航空航天局 NASA

也许我们会发现,这个太阳系里到处都有着简单的生命形式[35, 36],说不定还有可能成为威胁人类的病原体。

也许我们会发现,这个太阳系就如它看上去那样死寂,除了地球以外,所有其他星球都没有诞生过生命。

但那里依然有群星列阵,依然有人类成为跨行星物种的宏大理想。

在太阳系以外,更有无穷无尽的星辰大海。无论人类是否真的寂寞,对生命同类的追寻与好奇,都将是我们继续探索深空的动力之一,直至很久以后成为一个跨星系物种

40.人类的未来 | 儿童与星空,都是人类的未来。图源@VCG

一切伟大,皆源自微小。

如今,2020年的火星“舰队”正承载着人类微小的好奇与寂寞、微小的梦想与光荣,驶向火星。

超越火星,我似乎听见了来自无垠太空的伟大呼唤,你听见了吗?



| END |

感谢阅读

这是新栏目“星球科学评论”的Vol.015篇文章,欢迎关注。

你的探索欲和好奇心,请让我们来守护!


创作团队

  • 策划撰稿 | @云舞空城
  • 视觉设计 | 陈随、王申雯、郑伯容
  • 内容审校 | 黄超
  • 封面来源 | 视觉中国


【本文参考文献】

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星球科学评论 ——|科学| · |探索| · |好奇|

编辑于 2020-07-23 11:53

又到每26个月一次的火星发射季,中、美、阿联酋齐发火星探测器。根据谁先到谁先开发的原则,迅速开展火星探测是未来开发利用火星资源的基础。但为什么是火星,它会成为第二个地球吗?

和地球邻近的行星。左起:水星、金星、地球、火星 | NASA

作者 | 林文杰

责编 | 高佩雯

7月20日凌晨5点58分(北京时间),阿联酋首颗火星探测器“希望号”由日本运载火箭发射升空。据预计,它将经过200多天的飞行,于2021年2月抵达火星。

这是一颗火星气象卫星,设计寿命2年,主要目标是研究火星气候演变以及天气状况,例如沙尘暴等。

“希望号”在日本种子岛航天中心发射升空 | 来自网络

与此同时,中国的“天问一号”火星探测器和美国宇航局(NASA)的“毅力号”火星车也正整装待发,预计在8月15日之前完成发射。

“天问一号”是中国首次独立自主执行的火星探测任务,据国家航天局、中国空间技术研究院最新消息,“天问一号”目前已经抵达发射场。(注:“天问一号”已于7月23日成功发射)

执行本次发射任务的是中国现役运力最强火箭——长征五号。强大的推力可以让它将探测器发射到足够高的轨道,进而飞向火星。7月17日上午,长征五号遥四(指第四次任务)已被垂直转运到文昌发射场的发射区。它将在这里进行功能检查和各种测试,发射前才会加注推进剂。

这也是我国运载火箭首次执行地-火转移轨道发射。自2016年1月火星探测项目立项之后,我国在短短4年内建立起探测火星的基础体系,并一次性发射轨道器(环绕飞行器)、着陆器和火星车,引世界瞩目。

“天问一号”着陆器和火星车(概念图) | 中国航天

那么问题来了,为什么是火星,火星会成为第二个地球吗?

为什么选择火星?

在过去20年内,中国航天将注意力集中在嫦娥工程上,对月球实施了绕、落、回三步走战略,即:绕月飞行,月面软着陆,采样返回。目前执行到最后一步,即将发射的嫦娥5号将把月球上的岩石带回地球,完成“回”的操作。

随着国际深空探测向火星等地月系之外的天体看齐,我国也启动了行星探测计划。

火星作为距离地球最近的行星,且美国宇航局发现火星上有季节性液态水,因此成为行星探索的热门之地。中国行星探测计划在2020年4月24日的中国航天日上公布了火星探测的任务名称和标识。至此,火星成为了中国行星探测的第一站。

2015年,NASA发现火星表面活跃着季节性波纹,表明其上存在液态水(图:Garni撞击坑上的波纹)。| NASA

在天问一号项目启动之前,美国宇航局、欧洲航天局都对火星进行了深入调查,掌握了火星表面的大部分地貌情况,并且对火星大气有了深入研究,揭开了火星大气稀薄的奥秘。马斯克的星舰计划更是计划在火星上建造人类第一个外星殖民地,要移民100万人到火星定居。

在这个背景下,中国行星探测第一站选择火星也是一种必然。从外空资源开发的角度看,遵循谁先到谁先开发的原则,中国迅速建立火星探测任务体系,也是为今后火星资源的利用奠定基础。

火星有可能成为人类的新家园?

马斯克的星舰计划要移民100万人到火星,目前已经进行了至少11次测试,原型机建造到星舰SN9阶段,预计在2020年7月进行第12次测试。

在过去11次测试中,大部分都以失败告终,星舰SN9原型机在今年7月的测试预计飞行20公里高度,一旦成功将可能转入试飞型号生产,在2023年计划搭载日本商人进行第一次绕月之旅,在2030年左右登陆火星,在此之前,将完成美国宇航局的月球空间站货物运输任务。

和马斯克同样“疯狂”的日本富豪前泽友作(上),买下了星舰第一次绕月旅行的船票,包机。| 来自网络

从马斯克的时间表看,火星是该公司的终极目标,但从火星本身表面环境看,目前不适合人类居住

火星大气压强仅为地球气压的0.6%,相当于地球表面35公里的气压,非常稀薄;火星地表温度为白天28摄氏度,一些地区可满足液态水的存在,但是晚上会降低到零下132摄氏度,赤道一些地区会高一些,平均在零下52摄氏度;火星大气成分中96%是二氧化碳,氧气含量极为稀少,因此人类不可能在这样的环境中生存。此外,火星的重力只有地球的1/3(0.38),可能导致骨质疏松等问题。

如果人类要在火星表面生存,就必须建立火星基地,生存在人造的地面舱内。假若采用这种方法建立火星殖民地,成本太大,将无法建造火星城市。因此也有科学家提出改造火星大气,比如,用核弹摧毁火星极区的冰层,实现对火星大气的加厚和加热,或者持续释放温室气体,让火星缓慢升温,以及在火星上种植蓝藻,改善大气成分等。这部分的研究仍然处于理论阶段。

火星两极存在大量干冰+水冰(白),在那里引爆核弹,可以加热大气,并得到液态水 | NASA

在可预见的未来,火星上具备改造为人类殖民地的条件,可建立数十至数百人规模的火星基地。从更远的未来看,火星也具备成为人类新家园的硬件。

首先,火星是岩石行星,与地球结构相似,只要能搞定火星大气问题,就能让火星变成地球;其次,火星是距离地球最近的行星,最近时约5600万千米,大概为地月距离的147倍,比其他行星更易到达,而且,它处于木星和地球之间,人类要进入深空,火星可以作为中转站,这是火星的轨道优势,再往外就是木星了,那是一颗气态行星,没有落脚的地方;其三,火星曾经有海洋,这说明火星曾经具备宜居环境。

火星和地球究竟有多少相似性?

从宜居环境上看,数十亿年前的火星和地球非常相似,都有全球性的海洋、河流、山脉。火星就像一个小一圈的地球,体积更小一些。

火星的表面充满了砂石,火星内部以富含黏土的页矽酸盐矿物、硫酸盐矿物为主,在40亿年前火星上有水和岩浆作用,在过去35亿年内,火星液态水开始消失,含铁岩石和火星大气层中的过氧化物发生作用,形成了铁氧化物,因此我们看火星就是偏红的颜色。

除了表面物质有区别外,火星与地球的相似度是非常高的,至少在90%以上。从行星分类角度看,火星和地球都被认为是类地行星,因此火星上是可以建立殖民地的。


火星与地球极其相似,无论是结构还是昼夜/季节周期。| NASA

除了地质和内部结构与地球相似,火星上的一天大约是24小时37分,也和地球上差不多。如果宇航员在火星上生活,那么一天的作息能够与地球保持一致。由于火星公转轨道比地球轨道半径更大,因此火星上一年相当于地球的两年,大约为一年687天。火星的自转轴也是倾斜的,其赤道平面与公转平面夹角为25度,地球为23度,非常接近,因此在火星上也有四季的区分,也存在季节周期。

虽然在太阳系外,也发现了一些类地行星,比如距离地球20光年、处于宜居带上的Gliese 581 c行星,以及600光年外、同样处于宜居带上的Kepler-22b行星。但是,它们都没有比火星更像地球。可以认为,火星是当前宇宙中与地球最相似的行星。

各国探测行星现状

火星作为中国行星探测的第一站,与西方主流探测方向较为一致。

美国在过去20年对火星进行了全面探索,发射了3辆火星车和多个轨道器,基本查明了火星现状和过去演化的奥秘。欧洲的主要成就是火星快车探测器,目前已经运行了17年,仍然在工作中。印度第一个火星探测器在2014年9月进入火星轨道,成为继美苏欧之后第四个成功对火星进行探索的机构。(苏联在1960年代就对火星进行了探测,大部分任务以失败告终,火星5号曾进入过火星轨道,但取得的科学成果较少。)

如果中国天问一号(先于阿联酋希望号)成功进入火星轨道,那么将是全球第五个成功进行火星探测任务的国家或机构。

天问一号着陆器想象图。| 央视新闻

中国本次探火目标是对火星全球有一个大致的了解,包括掌握火星全球地形地貌数据、火星表面土壤特征、物质组分和水冰分布位置,研究火星大气基本情况、电离层特征、火星磁场和内部结构等。

由于火星与地球轨道最近点每26个月出现一次,大约两年一次,因此今年,除了天问一号外,美国、阿联酋的火星探测器也在这个月发射。美国的“毅力号”火星车预计在7月30日发射升空,进入奔向火星的轨道;阿联酋的希望号火星探测器则已于7月20日使用日本火箭发射升空,目前还在飞往火星途中。而欧洲与俄罗斯合作研发的ExoMars火星漫游车,预计将推迟到2022年发射。

除了火星之外,金星、水星、木星、冥王星的探索任务也持续了多年,由于重要性没有火星探索强,任务时间拉得比较远。比如木星探测,从1977年旅行者探测器时代就已经开始,持续到最新一代的朱诺号探测器,前后持续了将近40年。金星探测以苏俄的成就最多,前后成功发射了11个探测器,金星7号还实现了软着陆。冥王星探测器在2006年发射,到2015年才抵达冥王星,如今新视野号已经远离冥王星,进入更远的深空,对柯伊伯带天体进行探索。

对太阳系行星探索最强的仍然是美国宇航局,无人探测器最远已经飞出了太阳系日球层,足迹遍及太阳系所有行星。

附录:近年来关于火星的重大发现

2015年9月,美国宇航局宣布火星上存在季节性流淌的液态水

2018年6月,好奇号火星车在火星一块岩石上发现碳基有机分子噻吩(C₄H₄S),暗示火星过去有可能存在生命。

2018年7月,科学家在整理2012年5月至2015年12月间火星探测器雷达数据时发现,在火星南极冰层下1.5千米处存在一个大型盐水湖,跨度达到20公里,是目前火星上最大的液态水体。

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编辑于 2020-07-23 15:27

7月23日12时41分,我国海南岛东北海岸中国文昌航天发射场上,长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探测任务天问一号探测器,火箭飞行约2167秒后,成功将探测器送入预定轨道,开启火星探测之旅,迈出了我国行星探测第一步。

时近正午,各大媒体的聚光灯几乎都聚焦在海南文昌发射场。“10.9.8……3.2.1,点火,发射!”随着零号指挥员一声令下:“天问一号”被“长征五号”遥四运载火箭送入太空,开始奔赴火星。这一刻,人们等了很久。

据悉,“天问一号”探测器由环绕器和着陆巡视器组成,着陆巡视器由进入舱和火星车组成。发射后,天问一号探测器飞行约7个月,于2021年2月实现火星捕获,5月着陆巡视器着陆火星表面。环绕器和火星车分别搭载多种科学载荷,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,通过火星车巡视探测,开展火星表面重点地区精细的就位探测。

“天问一号”探测器的科学任务聚焦了火星探测的多个热门问题。如:研究火星形貌与地质构造特征,研究火星表面土壤特征与水冰分布,研究火星表面物质组成;研究火星大气电离层及表面气候与环境特征,研究火星物理场与内部结构。这些任务与同期执行任务的希望号和毅力号的目标有相似之处。

据悉,安装在火星车底部的次表层探测雷达将通过探查地下100米内的火星浅层结构去寻找火星探测最重要目标之一——地下水,这也是我国首次火星探测重要的科学目标之一。一方面,利用环绕器和巡视器,采用遥感探测和就位探测相结合,对火星进行水冰的直接探测,判断火星表面上及地下是否存在地下水冰或水体;另一方面,利用火星地形地貌的探测,从而对火星地面水体活动的的水相地貌(如干枯的河床、盐湖和海洋)进行研究。

还有,通过火星表面成分的轨道遥感和巡视就位探测,建立火星表面水体活动的水相环境和次生矿物种类的联系,寻找火星历史上液态水存在的环境条件。

与此同时,利用环绕器和火星车搭载的科学载荷,还将对火星的大气、电离层、磁场和火气气候等开展“天-地”一体化化的探测,这也是天问一号任务的重要亮点之一。

/ 国家航天局新闻宣传中心

在这个火红的7月,一轮新世纪的火星探测逐鹿赛已拉开帷幕:阿联酋的“希望”号、中国的“天问一号”以及美国的“毅力”号三雄轮番上阵,开启奔火的漫漫征途。那么,谁将带来更多惊喜,“天问一号”能否“直挂云帆”走出自己的“天问”之路,一系列谜题吊足了人们的胃口。


编辑于 2020-07-23 16:52