【中国太空计划】开启火星探测新高度 中国定了个大目标

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对地球的外层空间进行新的开拓,没有哪个有抱负的国家会轻言放弃,全球太空之争正在或明或暗处风起云涌。目前世界范围内有5个火星专案计划正在开发和制造的最后阶段,拟在2020年发射前往火星。为何各国都选择了明年前往火星?人类抵达火星究竟有多难?对中国来说,其面向太空的志向已很明显,并定下了在火星一次性完成“绕”、“落”、“巡”三大目标,为了探索火星,中国做了哪些准备?未来已来,科研的目的从来不仅仅是只为了当下,各国在追求的也并不仅仅是将探测器发射到火星。

2019年11月14日,中国火星探测器首次公开亮相,图为中国火星探测着陆器在河北怀来地外天体着陆综合试验场测试悬停、避障和减速能力时被举起。(AP)

400年前,17世纪科学革命的关键人物开普勒(Johannes Kepler)在给意大利物理学家及天文学家伽利略(Galileo Galilei)的信中写道:“我们应该建造适合飞向神圣天空的船与帆,然后也会有这样的先驱者,面对无边的太空,他们毫不退缩”。光阴荏苒,当下已有美国、苏联、欧洲航天局和印度成功将航天器送入火星轨道,而中国很快也将会成为到达火星的国家。

中国官方证实将于2020年七八月间择期发射“萤火二号”火星探测器,并计划在中共建党一百周年(2021年)之前降落在火星,一次性完成“绕”、“落”、“巡”三大目标。如果一切顺利实现,这将是全世界首次在一次任务当中完成这三个目标,意味着中国将创造人类火星探测史的新高度。

起点高,难度更大,在一系列周密的准备下,中国火星探测任务已迎来了核心测试。10月11日,中国航天科技集团在其官方微博首次公开了中国火星探测器照片。11月14日,中国首次火星探测任务着陆器悬停避障试验在河北怀来地外天体着陆综合试验场进行,这也是中国火星探测器的首次公开亮相。

1 为何选择了火星

人类移居外星球是科幻作品最为流行的桥段之一,目前人类已经进行了230多次太阳系探测,而根据已掌握的信息来看,整个太阳系的8大行星、5颗矮行星、165颗卫星当中,若人类想冲出地球,基本只能先从火星和金星两个邻居开始,因为只有这两个星球与地球同处太阳系内的宜居带内,同属于岩质行星,拥有孕育生命的可能性。

通过航天探索发现,太阳系内的金星生存环境对人类而言可谓恶劣,其气压是地球的92倍,空气中几乎全是二氧化碳,且布满了稀硫酸云,地表温度常年保持在460摄氏度,比较而言,火星的生存条件则相对“优越”不少,几乎是人类航天探索下一站唯一的选择。亦因于此,火星对于人类,有着特殊的吸引力。

在太阳系8大行星之中,火星是除金星以外,距离地球最近的行星,也是太阳系中最近似地球的天体之一。火星赤道平面与公转轨道平面的交角极其接近于地球,这亦使得火星上有着类似地球的四季交替,火星的一年是687个地球日,而一个火星日几乎和地球日一样长。

火星直径是地球的一半,重量是地球的十分之一,引力是地球的三分之一,虽然其总表面积只有地球的28%左右,但那可是纯陆地,已接近地球上人类生存的七大洲面积总和。在火星上,拥有太阳系第一大高山(奥林帕斯山)和第一大连续峡谷(水手号),大气虽然稀少,但是以二氧化碳为主,可作为开发资源。其南北极有不亚于地球上格陵兰岛的淡水资源,土壤中广泛存在2-3%的水分。

随着科技进步,人类越来越相信未来可以对火星进行地球化改造,令各种生物得以在火星表面独立生存,最终实现大规模移民火星

而且,火星引力较小、距离小行星带和太阳系外围空间更近,换言之,意味着在火星上发射火箭和深空探测的总成本将远低于在地球开展此类活动,是人类未来深空探测发展中航天基地的优选之地。

从既往规律来看,约每隔26个月即会发生一次“火星冲日”,届时太阳、地球、火星位于一条直线上,地球与火星的距离在冲日期间会达到极近值,通常只有不足1亿公里,而在火星发生大冲时,该距离甚至不足6,000万公里。在这一时间点实施火星探测,探测器飞行的路线最短,最省燃料。而下一个“火星冲日”探测窗口即是2020年,中国的火星探测任务也便选择定在了这一年。

2 “航天器坟场”:人类抵达火星有多难

月球和地球的平均距离为38万公里,而火星距离地球在5,000余万到4亿公里左右,当地球与火星处于最大距离时,即便是光速通信也会有44分钟的延时。

从文献记载来看,人类从1600年代已开始使用望远镜对火星进行观测,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。到目前为止,已有超过30枚探测器到达过火星,对火星进行了考察,向地球传回了大量数据。但全球火星探测成功率仅约为40%,约三分之二的探测器,尤其是早期发射的探测器,几乎都未能成功完成使命,火星亦因此有了“航天器坟场”之称

人类近代太空探索的早期时代主要由苏联和美国两国间的“太空竞赛”所驱动。冷战时期,苏联在1960年至1973年间着手进行了旨在探索火星的太阳系内无人航天计划,在该计划中苏联发射了一系列的飞掠、环绕以及着陆火星的探测器。

1960年10月10日,苏联向火星发射了第一枚探测器火星1A号。1971年11月27日,火星2号的登陆器在火星表面坠毁,成为第一个到达火星表面的人造物。同年12月2日,火星3号登陆器成功在火星软着陆,成为第一个抵达火星的探测器,并在火星表面发出14.5秒信号。统计数据显示,苏联在1960到1988年间进行了近20次探测任务,但没有一次称得上是取得了完全成功。

1964年,美国也先后向火星发射了两枚探测器水手3号和水手4号。水手3号于12月5日发射升空,成为美国发射的第一枚火星探测器,但探测器保护外壳未能按预定计划成功与探测器分离,以失败告终。水手4号于12月28日发射升空,这是人类有史以来第一枚掠过火星并发回探测数据的探测器,它于1965年7月14日在火星表面9,800公里上空掠过,向地球发回了21张照片。

美国国家航空航天局(NASA)的维京号探测计划是有史以来最为成功的火星探测计划之一。1976年9月3日,维京1号成为第一枚在火星上着陆,并且成功向地球发回照片的探测器。

2018年6月10日,机会号火星漫游车停止工作,留下火星科学实验室好奇号继续工作。2018年11月26日, NASA于当年5月初向火星发射的洞察号无人探测器在火星成功着陆,执行人类首次探究火星深层内部奥秘的任务。随后,“洞察”号通过与其同行的迷你卫星传回了火星的第一张照片。

当下,在轨道上还有 2001火星奥德赛号、火星快车号、火星侦察轨道卫星、火星轨道探测器、火星大气与挥发物演化任务和火星微量气体任务卫星6艘太空船,它们向人类提供了有关火星的大量资讯。

3 探索火星 中国并不是说着玩的

对中国来说,其面向太空的志向已很明显。在太空赛跑中,中国出发时间晚了西方一个世纪,但现在,中国已是世界上第三个实现载人航天的国家。火星探测是中国第一次真正的行星探测,官方报道显示,火星探测任务当前正在中国有序进行,各项工作都在向前推进。

2011年11月8日,中国的首颗火星探测器“萤火一号”搭乘在俄罗斯的“福布斯号”采样返回探测器上一起发射升空,开始对火星的探测研究。11月9日,俄方宣布火星探测器变轨失败。次年初“萤火一号”返回地球大气层时,在太平洋上空烧毁,中方首次火星探测计划以失败告终。2016年1月11日,中国火星探测计划正式立项。

按照路线图,中国将于2020年七八月间,从海南文昌航天发射场由长征五号大型运载火箭发射火星探测器萤火二号。此次自主发射吨位大,搭载的火星探测器由轨道器(卫星)、着陆器和巡视器(火星车,或名“赤兔号”)三部分组成。

环绕火星运行的轨道器上将搭载高、中分辨率相机、光谱仪、磁力计、表面雷达、离子和中性粒子探测仪等科学载荷;巡视器上将搭载探地雷达、光谱相机、小型气象站、磁场探测仪等载荷,这些仪器设备有望帮助中国建立起对火星全面而基础的认识。

2019年10月,中国航天科技集团在其官微上首次对外公开了中国火星探测器照片。(微博@中国航天科技集团)

中国的火星探测计划目标宏大,其首秀任务将一次性完成“绕”、“落”、“巡”三个目标:对整个火星进行全球性综合探测;降落在火星;将火星车开出来,对火星表面重点地区精细巡视勘查。在业界看来,要实现这些目标需攻破不少科学难点,但中国在火星探索方面的努力是夯实的,且富有成效。

要想前往火星,需要完全摆脱地球引力,还需要摆脱太阳强大引力影响,这意味着更强大的火箭是探测火星的先决条件。历时十年研制,中国现役起飞质量最大、芯级直径最粗、运载能力最强的火箭——长征五号在2016年11月3日成功进行了首次飞行试验。其载荷能力与欧洲空间局的阿丽亚娜5型运载火箭、美国的德尔塔-4重型运载火箭以及俄罗斯的质子-M运载火箭同级,属于大运载的重型火箭。新一代重型火箭长征九号业已完成深化论证,2019年3月24日,其一级发动机燃气发生器-涡轮联试成功,拟于2028年左右发射升空,未来将用于中国深空探测、载人登月和登火、空间基础设施建设等任务。

轨道设计方面,按已有科学认识,探测器飞往火星只能选择“霍曼转移”方式,它是一种变换太空船轨道的方法,或它的略微改进版方式——“快速合点航线”,但该过程耗时普遍在6到11个月不等,远长于地月之间的3天左右。2012年,中国的嫦娥二号探测器已有过飞越日地拉格朗日点、飞越图塔蒂斯小行星和进入深空7,000万公里的实践。

着陆技术方面,在有大气情况下着陆,中国已有了神舟1到11号飞船的验证;在无/稀薄大气情况着陆,中国也已经有了嫦娥三号和嫦娥四号任务的太空探索实验。

另外,中国已经初步建成深空通讯网,并有万吨级远望号航天测量船辅助;2018年中国发射了人类唯一的地月通信中继卫星“鹊桥号”,深空通信中继能力大为加强;火星车方面,中国已有玉兔号和玉兔二号月球车的科研经验,其中玉兔二号已经工作近1年……

对于中国来说,现在可谓是万事俱备,静等发射期。并且着陆火星仅仅是中国迈向深空的第一步,下一代火星探测器“萤火三号”计划由轨道器、巡视器、上升器、着陆器、返回舱五个部分组成,拟于2028年至2030年左右从海南文昌航天发射场发射,翌年抵达火星,带回火星岩土样本。

未来中国还会尝试向小行星、木星等其他天体派出探测器,探索更多的未知,破解更多的谜题。

4 全球火星探索之争风起云涌

对地球的外层空间进行新的开拓,没有哪个有抱负的国家会轻言放弃,全球太空之争正在或明或暗处风起云涌。

特朗普(Donald Trump)就任美国总统后推出了《国家安全战略》和《国防战略》报告,认为美国必须加强在太空领域的投入,才能在全球竞争中立于不败之地。

为确保美国在太空领域的领先地位,应对中俄两国在外层空间的挑战,2017年6月,特朗普签署了重启国家太空委员会的行政令。2019年8月29日下午,特朗普在白宫玫瑰园举行仪式,宣布正式成立美国太空司令部。

虽然发射火星探测器、在火星降落等都存在诸多科学难点,要克服一系列复杂的问题,但是,各国探索火星的行动仍是此起彼伏

目前世界范围内有5个火星专案计划正在开发和制造的最后阶段,拟在2020年发射前往火星。这其中包括俄罗斯和欧洲空间局的ExoMarsRosalind Franklin rover、美国国家航空航天局的火星2020探测车任务、中国的萤火二号、阿拉伯联合酋长国的Hope Mars Mission 和印度的火星轨道探测器2。

明年的太空探索将精彩纷呈,全球多个国家都将到火星上同场竞技。但显然,各国在追求的并不仅仅是将探测器发射到火星。

科学家表示,未来20年左右,可能看到人类首次登陆火星;未来100年,人类可能会在火星上建设一个中等规模的火星城市;未来1,000年,人类有可能会把火星改造成适宜人居住的星球。美国太空探索公司SpaceX就曾表示,计划使用“星舰号”载人航天飞船在火星上建立一座百万人口的城市,理想情况是在未来半个世纪左右的时间内实现。

未来已来,科研的目的从来不仅仅是只为了当下。

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