维科技|人类火星探测史新高度 祝融号开启火星表面巡视探测

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继中国首次火星探测任务“天问一号”着陆巡视器成功着陆火星表面后,中国的“祝融号”火星车已完成了充电,根据遥测数据判断,5月22日10时40分,祝融号已安全驶离着陆平台,到达火星表面,开始了对火星预计持续90天的巡视探测。在此之前,只有美国实现过在火星表面的巡视探测任务,中国也由此成为全世界首个在一次探火任务当中实现环绕、着陆、巡视三大目标的国家,开启了人类火星探测史新高度。

2021年是太空探索、发射任务和天文事件让人类应接不暇的一年,同时也是中国的航天大年。中共建党百年之际,中国科技实力的提升用天问落火、空间站工程开启11连发等太空壮举得以彰显。中国的天问一号任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行及测控通信、地外行星软着陆等关键技术,实现了中国首次地外行星着陆、巡视探测,毫无疑问,这是中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。

中国太空天团成员加码

重大的科学工程,需要系统集成、精准推进。作为一项复杂的系统工程,航天是国家高科技实力的代表,需要的不仅是探索未知空间的勇气,还需要一个国家具备很高的科技水平和经济实力。

作为太空竞赛的后来者,中国在1970年才发射了第一颗卫星“东方红一号”,到2003年实现了第一次载人航天飞行,成为全球第三个实现载人航天的国家,近年来在多个航天领域进展迅速。中国第一辆火星车以中国神话中的火神“祝融”命名,导航卫星叫“北斗”、科学卫星叫“悟空”、月球探测叫“嫦娥”、火星探测叫“天问”,空间站叫“天宫”……加持了中国传统文化的古老名字与未知探索在浩瀚宇宙中一次次碰撞,中国的太空天团家族成员也在逐年增多。

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。

探测火星还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,有助于人类了解自身在宇宙中的地位和最终命运。

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。

火星探测风险高、难度大,探测任务面临行星际空间环境、火星稀薄大气、火面地形地貌等挑战,同时受远距离、长时延的影响,着陆阶段存在环境不确定、着陆程序复杂、地面无法干预等难点。全球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。

曾几何时,到火星去是中国人遥不可及的梦想。5月17日,中国的火星环绕器实施第四次近火制动,进入中继通信轨道,为火星车建立稳定的中继通信链路,陆续传回图像数据。2天之后,中国国家航天局发布了天问一号探测器着陆过程两器分离和着陆后火星车拍摄的影像。图像显示,着陆平台和“祝融号”火星车的驶离坡道、太阳翼、天线等机构展开正常到位,在西方看来,这些图像建构了中国着陆器成功降落火星表面的首批公开证据。

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同日,美国国家航空航天局(NASA)局长纳尔逊(Bill Nelson)在推特(Twitter)和官网上均发了一段声明,祝贺中国从“祝融号”收到首批影像,“适逢国际科学界在火星探索增加之际,美国与世界期待祝融号的发现将让人类更多地了解火星。”

实际上,纳尔逊在参加美国参议院2022财年预算提案听证会上,谈及了对中国航天计划和美国登月计划“阿尔忒弥斯”进展的担忧,他在听证会上两次展示了“祝融号”火星车首批照片,作为“中国航天新进展”的证据。

《纽约时报》发文表示,“这次着陆让中国成为继美国和苏联之后,第三个在火星上安全着陆的国家,苏联曾非常短暂地降在火星上。这是确保了中国作为太空大国地位的一系列重大里程碑中的最新一个,其他还有月球探索任务和新轨道空间站的建设。”

中国人的天问:人类火星探测史新高度

在人类探索火星的漫长历程中,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。

苏联在1971年成为第一个让登陆器在火星着陆的国家,但仅几秒钟后登陆器即停止了通讯,只传送了一幅不完整、无法辨认的图像。从全球范围来看,此前真正成功着陆火星的国家只有美国,最近的一次是今年2月份的美国“毅力号”(Perseverance)火星车着陆火星。

中国的首次探火计划目标远大,一次性就要完成环绕、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。2016年,中国首次火星探测任务正式批复立项,探测器自2020年7月23日成功发射以来,在地火转移阶段完成了1次深空机动和4次中途修正,抵达火星时飞行里程约4.75亿公里,距离地球约1.92亿公里,各系统状态良好。

2021年2月10日天问一号探测器实施近火捕获制动,顺利进入环火轨道,成为中国第一颗人造火星卫星。2月24日,天问一号探测器成功实施第三次近火制动,进入周期2个火星日的火星停泊轨道后,对火星开展全球遥感探测,并对预选着陆区进行详查,探测分析地形地貌、沙尘天气等,为着陆火星做准备。

在近3个月的停泊轨道驻留阶段,中国火星环绕器的7台载荷全部开机进行科学探测,地球和火星之间的通信稳定,为未来着陆火星的巡视器提供信号中继服务。根据官方披露的消息,环绕器每隔两天抵达一次近火点,距离火星仅280公里左右,载荷中的中分辨率相机、高分辨率相机、光谱仪等对乌托邦平原南部等低纬度预选着陆区域的地形地貌、沙尘天气等进行了详查,评估火星环境和着陆时机可行性。

官方消息显示,5月15日凌晨1时许,天问一号探测器在停泊轨道实施降轨,机动至火星进入轨道。4时许,着陆巡视器与环绕器分离,历经约3小时飞行后,进入火星大气,经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲,成功软着陆于预选着陆区。

“祝融号”火星车将进行一系列实验,研究火星的地形、地质和大气等,其中一个目标是更好地了解该地区冰的分布情况,这在理论上有助于给未来人类的访问提供支持。火面工作期间,“祝融号”将按计划开展巡视区环境感知、火面移动和科学探测,通过配置的地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪等6台载荷,对巡视区开展详细探测。同时,环绕器将运行在中继轨道,为火星车巡视探测提供稳定的中继通信,兼顾开展环绕探测。

中国表示,计划在2028年之前向火星发射第二个登陆器,并最终从火星带回样本,而这实际上也是NASA和欧洲航天局已在进行的一项复杂工作,他们希望“毅力号”收集的土壤和岩石能在2031年被带回地球,探火之争已不仅仅是一场潜在的竞赛。

科技进步日益取代了农业体力劳动成为全球经济增长的最大驱动力。2020年年终的中共中央经济工作会议上,中国政府为2021年发展重点部署八大任务。那场中共高层官员的工作会议,不仅将“强化国家战略科技力量”列为下一年经济发展首要任务,且坦言要通过举国体制优势发展高科技,“尽快解决一批‘卡脖子’问题”。显然,在高科技领域的全球竞争中,中国要提高自己的话语权。

探索外太空是一场具有高度战略意义的竞争,全球已有多个国家出炉了太空战略规划,争夺太空话语权已成为各国战略竞争的重要方面。对中国来说,其面向太空的志向已很明显,随着中国各项太空探索既定项目的进展顺利,中国航天人创造的太空追赶奇迹也在接连继续。

(本文原载于《香港01》周报,略有编辑。)

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