中国启幕行星探测时代 “天问一号”拟创造人类火星探测史新高度

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在400余年前,17世纪科学革命关键人物开普勒(Johannes Kepler)在给意大利科学家伽利略(Galileo Galilei)的信中曾写道:“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”,那时,人们觉得“飞向神圣天空”还是一件很遥远的事情。

光阴荏苒,人类已在探索太空的历程中创造了一个又一个奇迹。在美国、苏联、欧洲航天局和印度成功将航天器送入火星轨道之后,中国很快也将成为到达火星的国家。北京时间7月23日12时41分,中国“长征五号”遥四运载火箭在海南文昌航天发射场发射升空,火箭飞行约2,167秒后,成功将中国首次火星探测任务“天问一号”探测器送入预定轨道,迈出中国行星探测第一步,此次发射任务也成为中国航天走向深空的重要里程碑。

2020年7月23日,中国在海南岛东北海岸文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭将中国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空。(新华社)

按照计划,“天问一号”将于2021年2月11日至24日环绕火星运行,并于2021年4月23日降落一台火星车到火星表面,史无前例一次性完成“绕”、“落”、“巡”三大目标,进行时长90天的火星探索工作。

“天问”之名,其源久矣。2,000多年前,中国古代著名诗人屈原在长诗《天问》中,对天地离分、阴阳变化、日月星辰等自然现象发出了一系列天问;2,000多年过去了,中国航天人用“天问”航天器深入苍穹,对屈原“九天之际,安放安属”的天问做出了回应。

在中国首颗人造卫星“东方红一号”发射50周年的日子,中国国家航天局于2020年4月24日正式公布中国首次火星探测任务名称及标识。中国行星探测任务被命名为“天问(Tianwen)系列”,首次火星探测任务被命名为“天问一号”,未来人们还将看到中国前往土星、木星等行星的“天问 n 号”。

火星对于人类为何有着特殊的吸引力

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。结合地球、火星的公转周期,约每隔26个月会出现一次“火星冲日”的窗口期,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2020年7月到8月的窗口期正是发射火星探测器的有利时机。

人类移居外星球是科幻作品最为流行的桥段之一,目前人类已进行了230多次太阳系探测,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。探测火星有助于人类更深层次认识地球和太阳系的形成和演化,预测地球的未来变化趋势,促进对地球生命乃至太阳系起源和演化的研究,也有助于人类了解自身在宇宙中的地位和最终命运。

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。

人类探测火星充满艰险

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。

尽管人类对火星向往已久,但火星探测绝非易事,自1960年以来,人类的火星探测项目完全成功率仅有43%。尤其是早期发射的探测器,几乎都未能成功完成使命,多次出现探测器撞毁、失灵或者失踪等状况,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。

2016年,美国“好奇号”火星着陆巡视器发现了一些火星历史的新线索,包括可能源自干涸湖泊的水流痕迹,以及表明火星一度存在过氧气的矿质沉积物。(视觉中国)

1960年10月,苏联向火星先后发射了两个探测器“火星1A号”和“火星1B号”,但均以失败告终。1971年11月27日,“火星2号”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日发射升空后,成为人类有史以来第一枚掠过火星并发回探测数据的探测器,它于次年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。

“维京号”探测计划被公认为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11月26日,“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,对火星进行了“45亿年来的第一次体检”。

目前,仍在工作的火星探测轨道器有6个,包括美国的“火星奥德赛”、“火星勘测轨道器”、“火星大气与挥发物演变”,欧洲的“火星快车”、“微量气体轨道器”和印度的“曼加里安”;着陆巡视器有2个,分别是美国的“好奇号”和“洞察号”。

中国的探“火”之旅

探索外太空是一场具有高度战略意义的竞争,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。

从早前公布的消息来看,世界范围内有4个火星专案拟在2020年发射探测器前往火星。这其中包括欧洲空间局和俄罗斯的ExoMarsRosalind Franklin rover、美国的“毅力号”、中国的“天问一号”、阿拉伯联合酋长国的“希望号”(由日本 H-2A 火箭发射)。因疫情及其他技术因素影响,欧洲空间局与俄罗斯合作研发的火星探测项目已宣布将推迟到2年后发射。

2016年8月23日,在北京举办的“中国火星探测工程名称和图形标识全球征集活动”新闻发布会上,中国火星探测器和火星车外观设计构型首次对外公布。(新华网)

虽然都是火星探测,但是中国、美国和阿联酋三国的火星探测任务并不相同。

阿联酋的“希望号”火星探测器已于7月20日在日本种子岛太空中心发射升空,计划仅实施环绕任务。美国的“毅力号”火星车将取代逐渐衰老的“好奇号”火星车,计划完成着陆、巡视两大任务。

而中国的“天问一号”将一次性完成环绕、着陆、巡视三大目标: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。如果一切顺利实现,这将是全世界首次在一次火星任务当中完成“绕”、“落”、“巡”三大目标,也意味着中国将创造人类火星探测史的新高度。

在探索火星的历程中,目前只有美国“海盗一号”、“海盗二号”通过一次发射实现过火星环绕、着陆两项任务,此前欧洲曾两次试图通过一次发射实现环绕、着陆两项任务,但两次着陆都以失败告终,仅完成环绕探测。

未来已来,科研的目的从来不仅仅是只为了当下。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。

对中国来说,其面向太空的志向已很明显。作为太空竞赛的后来者,中国出发时间晚了数十年,但现在,中国已是全球第三个实现载人航天的国家。若一切顺利,“天问一号”将在中共建党一百周年(2021年)之前降落在火星,这无疑将会是一份很体面的“生日礼物”。

(本文原载于《香港01》周刊,略有编辑。)

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