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60年超40個探測器 “洞察”號們這樣帶你看火星
2018-05-08 08:15:24 來源: 科技日報
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“洞察”號探測器將首次對火星內部展開探測 NASA

  美國東部時間5月5日7:05 ,美國加州范登堡空軍基地內,搭載著“洞察”號火星探測器的宇宙神5號火箭成功升空,飛赴千萬公里之外的火星,對它展開為期728天的科學探測。

  人類對這顆紅色行星的關注古已有之。在西方神話中,火星是戰神瑪爾斯的化身。而在我國古代,火星則因其在天空中軌跡的復雜多變而被稱為“熒惑星”。近代以來,隨著天文觀測技術的發展,人們開始通過望遠鏡打量地球的這個行星近鄰,搞清了火星的一些基本性質。然而,直到航太時代來臨後,人們才陸續通過各類航太器傳回的探測結果,對火星各方面的情況有了深入細致的了解。

  在“洞察”號之前,已有超過40個探測器“前輩”以火星為目標。它是太陽係中除月球外人類探測最多的天體。美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度等都加入了火星探測的行列,我國也正在計劃發射去往火星的探測器。

  在太空競賽中開始的火星探測

  對火星探測的第一次嘗試可以追溯到1960年。在人類第一顆人造衛星上天僅僅3年之後,蘇聯便設計制造了“火星1A號”探測器,試圖飛掠火星進行探測。但遺憾的是,這顆探測器發射失敗,開啟了蘇聯和俄羅斯火星探測的悲情史。

  從上世紀六十年代至今,蘇聯和俄羅斯總共向火星發射過十多艘探測器,竟無一成功。有的探測器在發射階段就因事故損毀,有的探測器在飛行途中與地球失聯,有的則在好不容易到達火星並成功著陸後,僅正常工作了極短時間便終止工作。

  2011年俄羅斯發射“福布斯”號火星探測器時,我國的“螢火一號”探測器和“福布斯”探測器搭車發射,計劃二者共同飛行到火星附近後再彼此分開,各自執行探測任務。遺憾的是,“福布斯”探測器在地球附近的變軌過程中與地球失聯,我國的“螢火一號”也因此沒有執行預定探測任務。

  在上世紀六七十年代與蘇聯的太空競賽中,美國在火星探測方面取得了不俗的成績。在“水手3號”遭遇失敗後,1965年發射的“水手4號”成功地飛掠了火星,完成了人類使用航太器對火星進行的首次探測。所謂飛掠探測,是指探測器飛行到距離火星較近的地方進行一段時間的探測後隨即離開。這樣的探測對變軌技術的要求相對較低,是火星探測的“初級階段”。

  “水手4號”傳回了22張火星表面的照片,使人們觀察到了大小不等的環形山等地貌。同時,“水手4號”發現火星的大氣密度較低,存在電離層,沒有較強的內稟磁場,因此也就不存在磁層中的輻射帶。這些發現都與人們之前設想的情況相反。其後,“水手6號”“水手7號”又執行了兩次飛掠探測。

  在環繞與著陸探測中加深認識

  1971年5月發射的“水手9號”,則把人類對火星的探索帶入了環繞探測階段。執行環繞探測的飛行器在脫離地球到火星的轉移軌道時,需要在火星附近減速變軌,以被火星引力捕獲。由于火星與地球的距離遙遠,與地球之間的通訊延遲長,準確測定航太器的位置姿態困難大,因此火星附近的變軌控制也就更加復雜。

  “水手9號”到達火星後,通過變軌進入了距離火星表面約1300公里的軌道上。“水手9號”的探測發現了火星地貌的南北半球不對稱性。在南半球,存在大量古老的隕石坑,在北半球則地勢相對平坦,兩種地貌特徵的交匯地帶則是不規則的陡坡和低矮的小山。“水手9號”還發現,火星南半球存在酷似幹涸河床的地貌,暗示火星過去可能曾經存在河流,啟發科學家們進一步對火星上是否存在或曾經存在水進行探測。

  1975年8月和9月,美國相繼發射了“海盜1號”和“海盜2號”探測器。約一年之後,兩艘探測器的著陸器相繼在火星表面成功著陸,開啟了火星著陸探測的新階段。和後來人們熟悉的火星車有所區別的是,這兩個著陸器在著陸之後就不能移動了,只能進行著陸點當地的探測。兩臺著陸器著陸後,記錄下了兩次全球性的塵暴天氣。人們驚奇地發現,原來火星稀薄的大氣也能形成非常高的龍捲風。兩艘“海盜號”飛船觀察到火星上有許多巨大的沙丘和丘陵,這些地貌可能是在風力的作用下形成的。在對火星探測之前,人們一直幻想著火星上也許存在著建立了文明的智慧生物,不少科幻小説都以火星人大戰地球人為題材展開。而兩艘“海盜號”的分析表明,至少在採樣臂能夠到達的范圍內,沒有發現任何微生物,更不用説活蹦亂跳的火星人了。

  尋找水與生命存在的痕跡

  隨著美蘇太空競賽的偃旗息鼓,在兩艘“海盜號”飛船之後,火星探測進入了暫時的沉寂。直到上世紀90年代,美國才又重新掀起了探測火星的熱潮。

  由于地球和火星之間的飛行必須沿著一條被稱為“霍曼轉移軌道”的路線飛行,而能夠成功到達火星又要求地球和火星的相對位置剛好合適,因此向火星發射飛行器的窗口每26個月才會出現一次。從1996年至今,每當向火星發射飛行器的窗口出現時,美國幾乎都會向火星發射一對探測器。其中,一艘探測器在火星上著陸,對火星的各個特性進行細致的就地探測,另一艘探測器圍繞火星飛行,使科學家們獲取對火星全球特徵的認識。此外,環繞火星飛行的探測器還是著陸探測器的“信使”,承擔著陸探測器和地區的通信中繼任務。

  1996年,“火星探路者”號探測器攜帶的“旅居者”號火星車進行了人類歷史上第一次在火星表面和地球係統以外的巡視探測。它的走行距離雖然只有100米左右,但意義卻可比肩人類在月球上留下的第一個腳印。同一窗口發射的“火星全球勘測者”號探測器以繞飛火星的方式探測,並為後來的“機遇”號和“勇氣”號火星車提供了部分數據中繼服務。

  通過“火星全球勘測者”號發現的可能由水衝刷而成的溝壑地貌及需要水環境才能形成的赤鐵礦,使科學家們更加確信火星上曾經有水存在,並幫助科學家們確定了2003年發射的“機遇”號和“勇氣”號火星車應該在何處著陸,才能獲得最豐富的科學産出。“機遇”號和“勇氣”號本來的設計壽命只有90天,然而“勇氣”號在火星上工作了六年多,“機遇”號更是至今仍在繼續工作。“勇氣”號和“機遇”號發現了許多火星上曾經存在水的證據,也讓科學家們獲取了對火星歷史上水文活動的細致資料。這兩艘火星車工作期間,95%的數據中繼任務都由環繞火星的“火星奧德賽”號完成。

  2012年,一個功能更全面的火星車“好奇號”在火星表面著陸,其任務由尋找水擴展為尋找有機化合物等生命曾經存在的證據,研究火星曾經出現的宜居環境。

  “洞察”號開啟火星探測新階段

  隨著“洞察”號的發射,新一輪火星探測的大幕即將開啟。“洞察”號在火星著陸後,將會把人類對火星的探測由火星外層和火星表面擴展到火星內部。通過搭載的地震儀和熱傳導儀,“洞察”號將對火星的地殼、地幔和地核及火星內部熱量的逃逸過程做出探測,揭示不同岩態行星間的地質活動差異,使科學家們更好地理解行星的形成和演化過程。而即將于2020年發射的“火星2020”號火星車,其基本設計和“好奇”號火星車類似,但搭載的科學儀器功能與“好奇”號不同。“火星2020”號的科學探測數據將進一步豐富對火星宜居性和生命存在證據的研究。此外,“火星2020”號還會對今後載人登陸火星的任務進行前瞻性探測。例如,它將會探測火星表面的塵埃是否會對載人登陸火星任務産生威脅,測試通過火星大氣中的二氧化碳産生氧氣供宇航員使用的技術。

  2016年1月,我國的首次火星探測任務正式批準立項。和嫦娥探月工程的繞、落、回三步走不同的是,我國的火星探測計劃將同時實現對火星的環繞探測、著落探測和巡視探測。目前,我國火星探測工程的各項工作正在穩步推進當中,預計將于2020年發射去往火星的探測器。

  (李會超 作者係中國科學院國家空間科學中心博士生)

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【糾錯】 責任編輯: 楊婷
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