苏萌:中国人为什么要探测火星?

选择字号:   本文共阅读 512 次 更新时间:2020-07-24 15:02:11

苏萌  

   苏萌:中国人为什么要探测火星?

   苏萌,本科毕业于北京大学物理系,2012年获哈佛大学天体物理学博士,2016年起任香港大学物理系副教授兼空间研究实验室执行主任。曾任麻省理工学院Pappalardo Fellow/Einstein Fellow,高能天体物理学最高奖Bruno Rossi Prize 最年轻得主,研究工作入选美国物理学会评选的“世界十大物理学进展”、《天文学》杂志评选的年度十大天文学进展等。主要研究方向有宇宙起源与早期演化,暗物质与暗能量探测,行星科学与深空探测,高能天体物理与引力波探测等。参与国内外多个空间科学探测项目,包括南极宇宙微波背景辐射望远镜,我国首颗空间天文卫星“暗物质粒子探测卫星”,在我国西藏阿里地区建设世界上海拔最高的天文望远镜,寻找宇宙大爆炸时期产生的“原初引力波”等。他同时积极开拓全球商业航天领域的“中国机会”,推动太空资源的开发与利用。

   刚刚,“天问一号” 火星探测器在我国海南文昌发射场发射升空。这是中国首次行星探测任务。“天问一号” 由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成,总质量约5吨。本次探测任务将一次性完成 “绕、落、巡” 三大任务,这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。

   今天的巡天报告,我将带大家一起认识中国的火星探测之旅。

   1 为什么要去火星

   各种科幻电影里,经常出现人类把火星当作移民太空的目的地,最近也有不少火星题材的科幻电影找到我咨询相关的内容。火星之所以成为人类太空移民的首选地,首先是因为它是与地球相对距离比较近的邻居之一,与地球同处于太阳系的“宜居带”中。

   另外,很多学者认为火星曾经具备非常宜居的行星环境,也是太阳系内跟地球环境最相似的行星。火星实际上拥有支持生命所需的所有资源,未来人类有可能通过开发、改造与利用,形成新科技文明,让人类实现在另一个星球的繁衍,成为多星球、跨星际的物种。

   当然这一切的实现都依赖于人类未来能大规模登陆火星、必要物资运输往返于地球与火星,我们需要学会如何有效的利用太阳能,将火星本地的物质转化为可以利用的资源,在火星建立越来越多适合居住的城市,并最终将它改造成一个更适合居住的星球——人类的第二家园。今天我们走出的就是通向这个激动人心的未来的第一步。

   2 26个月一次的太空旅行

   关于火星探测,一个常见的名词就是“火星冲日”,每26个月才会出现一次的天文现象。如何理解这一现象对于火星探测的意义呢?

   在太阳系这个“操场”上,八大行星在各自的跑道上逆时针绕着太阳跑。地球在第三跑道,火星在第四道,即便跟火星挨着跑道距离“不算远”,也是到月球距离的140倍到1000倍。

   地球的公转周期是365天,火星的公转周期是687天(也就是说火星上一年相当于地球上两年的时间),二者会合周期是779.9天。由于行星公转的非均匀性,可以说地球和火星处于在最近点的时间间隔为780天,就是约26个月,也就意味着一旦错过发射窗口就需要再等两年。

   2020年是两年一次的火星年,而今年的7月中旬~8月中旬则是最佳的

   “火星探测窗口月” 。今年10月14日将迎来 “火星冲日” 的天文学现象,也就是说到时火星、地球和太阳所处的轨道位置将能大致形成一条直线,火星和地球的距离也将相对最近(今年的距离大约是6700万公里)。

   当然,如果等到“火星冲日”之时再从地球发射探测器,等你几个月飞过去,火星早已不在原地等你了。所以考虑到我们与火星的距离以及地球和火星的公转速度,最佳的发射时间是“火星冲日”之前两个月左右,此时火星恰好处于地球前方约44°的相对位置。

   因此,每隔26个月才会出现一个发射机遇期,每次时长约在一个月左右,这就是火星探测器的“发射窗口”。阿联酋“希望号”火星探测器前几天刚刚升空,顺利的话NASA的“毅力号”也将紧随我国“天问一号”之后在七月底前后发射。

   从轨道设计的角度,为了提高效率、节省燃料,火星探测器升空后将会进入所谓的“霍曼转移轨道”,这是一种相对简单、经济稳妥的经典地火轨道转移方式。这样火星探测器在途中只需要两次引擎推进(但是每次还是要消耗不少燃料)就可以从地球轨道进入火星轨道,缩减燃料携带量。即便如此,天问一号一大半的发射质量都会被变轨需要的燃料质量所占据,当然还包括减速制动进入火星轨道的燃料消耗。

   3 探测火星有多难

   从1964年“水手4号”火星探测器发射,1965年回传第一张火星表面照片开始,50多年时间里,人类已先后对火星开展了大约50次火星探测,但是整体上的成功率也就一半左右。为什么火星探测这么困难呢? 探测火星的难度主要存在于在地球与火星之间距离遥远,以及对火星环境的不可控性上。相比地月距离,地球与火星的距离最远时约为4亿千米,最近时也有约5600万千米。以我国这次将要发射的火星探测器为例,需要飞行200多天才能到达遥远的火星。这带来的首个挑战,就是在携带燃料有限的情况下,探测器如何能够飞越如此遥远的距离,并且要精准地进入火星轨道。这就需要我们对探测器飞行轨道进行精密的设计。

   通常来说火星探测有四种方式: 探测器从火星轨道飞掠(也就是不被火星引力俘获),抓拍照片(早期的火星探测连抓拍都没能实现,第一次还是1965年前苏联的水手四号实现了模糊抓拍);在火星轨道上绕飞,进行较远距离的遥感探测的环绕器;探测器实际降落到火星表面,开展火表就位探测和实验(着陆器);以及能在火星上具备移动能力的巡视器(火星车)。 2016年1月批准立项的“天问一号”是我国首次自主执行火星探测任务,计划一步实现火星环绕、着陆和巡视探测(一次性实现“绕”、“落”、“巡”三大任务),获取丰富、立体、多样的火星探测科学数据,这在世界航天史上还没有过先例。即使我们有了“五战五捷”的探月经验作为基础,也依然面临着非常大的挑战。采用这种跨越式发展的路线,将迈出我国行星深空探测坚实的第一步,更体现了我们国家航天工业水平的深厚积累和自信! 根据目前的计划,探测器将于2021年2月11日前后进入环绕火星运行的轨道(期待牛年开局大戏),并于2021年4月23日(中国航天日前夕)通过着陆器降落火星车到火星表面,进行设计寿命90天的探索工作。 “天问一号”火星探测器进入太空后,整流罩中的“天问一号”火星探测器会与火箭“星箭分离”,先在地球附近加速,中途会进行必要的修正,进入霍曼转移轨道利用惯性保持飞行,进入正确轨道对火箭的运载能力和入轨精度有很高的要求,所以这次发射任务使用了新一代运载火箭中推力最大的“胖五” —— 长征五号运载火箭,这次任务也称之为长征五号遥四运载火箭。 “天问一号”独自飞向火星的孤独之旅大概需要7个月的时间,在惯性飞行过程中不需要消耗燃料。等到达火星轨道时,探测器会择机进行“刹车”制动,降低飞行速度进入火星引力场范围,切入火星轨道,被火星捕获。这又是一个精准的操控过程:在切入火星轨道时,如果切入点离火星太近,探测器可能会坠毁;如果太远,探测器可能无法被引力捕获而掠过火星。本次火星探测任务需要实现的第一阶段目标就是:环绕火星飞行。

   切入火星轨道后,再经过多次调整,环绕器就可以在任务轨道进行环绕探测了。这时我们将迎来本次火星探测任务的第二个阶段,也是最难的任务—— 火星软着陆。火星探测器需要将2万多公里每小时的超高速,减到火星着陆时的零速度,整个过程需要在7分钟内完成,也被行内称为“恐怖7分钟”。在7分钟内,让其速度在受控状态下降为零。我们知道火星大气密度却只有地球的1%,并不利于降速。实现在火星上的安全着陆,是火星探测任务中技术难度最大、失败率最高的环节。着陆器何时开始减速进入火星大气、进入的姿态、进入的角度都需要精准的控制,每一个环节的细节都是着陆能否成功的关键,必须非常精确,不容任何闪失。我们对于火星上特殊的环境,尤其是大气状况的了解非常有限。再加上地火距离遥远,从地球发送到火星的单程无线电信号,单程延时超过20分钟,一来一回就是一个小时,火星探测实时响应无法实现,不可能依靠地球指挥着陆。

   “天问一号” 任务计划采用的减速方式将分为四个阶段进行。第一个阶段是气动减速段,探测器先从运行轨道自由下落,与大气层发生剧烈摩擦,等于踩下“急刹车”,在大约290秒内将速度从4.8 km/s骤然降低到460 m/s。在经历大气层的严酷考验后,紧接着探测器打开降落伞缓缓降落,在大约90秒后,速度会降到进一步约95 m/s。随后进入第三个阶段—— 动力减速段,探测器的反推发动机开始工作,在80秒内将速度降到3.6 m/s以下。当探测器距离火星表面约100 m高时,就进入了最后的着陆缓冲段,探测器准备开始悬停避障。此时探测器的速度已经很慢了,探测器会自主观察火星表面,快速计算出最佳着陆点。最终它将水平移动到该点上方,伸出“四条腿”,并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。

   另外火星地表沙尘暴非常暴烈,一旦发生全球性沙尘暴,破坏力是地球12级台风的6倍。苏联的探测器就有遇到了沙尘暴而导致任务失败。现在只有美国软着陆火星成功过,但失败也同样很多。可以说月球探测的难度跟火星探测相比,一个是渡江,一个是跨洋。一切顺利的话“天问一号”着陆巡视器将选择合适时间软着陆在火星表面的乌托邦平原,火星车从着陆器缓缓走下,开始巡视和科学探测任务。这是

   “天问一号” 的一小步,也是中国行星探测的一大步。

   4 天问:怀揣中国航天梦的远征

   说了半天“天问”一号,“天问”的命名来源于中国伟大的爱国主义诗人屈原长诗《天问》,表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着,体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承,寓意探求科学真理征途漫漫,追求科技不断创新永无止境。2020年4月24日中国航天日上,中国行星探测任务被正式宣布命名为“天问系列”,首次火星探测任务被命名为“天问一号”,后续行星任务则依次编号。

   这里介绍一下中国行星探测工程的整体概念,它以“揽星九天”作为工程的图形标识,太阳系八大行星依次排开,表达了宇宙的五彩缤纷,呈现科学发现的丰富多彩。标识以开放的椭圆轨道整体倾斜向上,展示了独特字母“C”的形象,代表了中国行星探测-China,体现着国际合作精神-Cooperation,标志着深空探测进入太空能力-C3。意义深远的名称与图形标识承载着中国人航天强国的梦想,为人类和平利用太空推动构建人类命运共同体贡献更多中国智慧、中国方案、中国力量。前往未至,发现未知。

   5 哪些科学问题值得关注?

   人们现在认为火星在几十亿年前曾是适合生命演化的环境,那么今天火星上到底有生命吗?如果今天没有,是否的确存在过生命?如果存在过,火星的生命起源跟地球有什么相似之处,是否有着共同的起源?那是否意味着生命在更广泛的宇宙环境中可能存在,或者至少有存在的条件?我们又应该去哪里寻找?这些问题都直指最基本的问题,我们是谁,我们从哪里来,要往何处去。

“天问一号” 计划开展多项科学研究,比如火星的磁场探测与演化研究(有一种说法是因为火星丢失了磁场导致大气逃逸,所以火星表面环境变的不适宜生命存在),(点击此处阅读下一页)

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文章来源:知识分子 微信公众号

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