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探测火星,“中国访客”就要来了

2019-04-11 05:01:13 来源:河北新闻网
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这是美国航天局发布的火星图片。  新华社/美联

几个世纪以来,人类始终对地球之外是否存在未知生命充满好奇,其中,火星无疑是最引人注目的。

2019年全国两会期间,全国政协委员、中国探月工程总设计师吴伟仁透露,2020年我国将发射第一个火星探测器,在火星着陆并巡视探测。如果成功,我国将成为世界上第一个在首次任务中即实现火星“绕、落、巡”的国家。

火星究竟有何魔力,能吸引人类前赴后继?星际旅途漫漫,其中会遇到哪些艰难险阻?踏上“红色星球”,我们准备好了吗?

奔向“红色星球”

如果向大众做个小调查:在太阳系的行星中,除了地球,你认为哪一颗最有可能孕育生命?相信许多人会脱口而出:“火星!”

从包揽世界顶级科幻大奖雨果奖和星云奖最佳长篇小说的《火星三部曲》系列,到近年热映的科幻大片《火星救援》,火星被人类寄予了无限可能,成为人类“太空家园”的重要候选。

“火星和地球都是岩石地面,都拥有变换的四季和寒冷的两极。它距离地球最近约为5500万千米、最远达4亿千米,除了稀薄大气层和较低重力之外,是太阳系中与地球最为相似的行星。”河北师范大学物理科学与信息工程学院天体物理学教授崔文元说,“随着航天时代开启,全球多国都启动了火星探测计划,人们想知道,这位地球‘邻居’是否会成为人类在宇宙中的‘第二家园’。”

但人类“拜访”之路走得并不顺畅。探测初期,火星探测器的任务成功率不及1/3,神秘的红色星球甚至一度被称为“航天器的墓地”。

1962年11月,苏联发射了“火星1号”探测器,但在飞离地球1亿千米时与地面失去了联系,从此下落不明。1971年5月,苏联的“火星2号”和“火星3号”飞船相继发射升空,希望在火星着陆。同年11月,“火星2号”投下一个探测仪器,但摔毁在火星表面;同年12月,“火星3号”的登陆舱在火星上软着陆,但仅送回22秒钟信号就永远停止了工作。

1992年9月,美国“火星观察者”号探测器发射升空,但在1993年8月进入火星大气层前与地面失去联系。1998年12月,美国“火星气候探测者”发射升空,但1999年9月在进入火星大气层时被烧毁。1999年1月,美国发射“火星极地着陆者”探测器,然而,它在预定着陆时间过后下落不明。

2003年6月,欧洲宇航局“火星快车”探测器发射升空,它携带的“猎兔犬2号”登陆器预定于2003年12月登陆火星,但直至今日地面控制中心仍未与其取得联络。

虽然“路途”艰险,但这些失败并没有阻挡住人类迈向火星的脚步。随着科学技术的发展,目前,世界上已发射的火星探测器,可分为“飞越”“轨道器”“登陆器”和“漫游者”等类型。火星探测已从无人探测进展到机器人探测阶段,跨出了“越”“绕”“落”三大步。

水星、金星也是太阳系中的类地行星,人类为何只对火星如此着迷?

“很多照片表明,火星曾经有过水体活动,比如干枯的河床。另外,火星南北极有很多冰,就像地球南北极一样。这些冰主要是干冰,但也有水冰。另外,火星的北半球是一个典型的干涸的海盆地,有很多河道流向这一区域,还有很多湖泊的遗址。”崔文元说,“去年7月,意大利航天局领衔的一个研究团队在《科学》杂志上发表报告称,在火星南极冰盖表面下约1.5千米处发现了一个疑似液态水湖。一旦确认,这将是人类首次在火星上发现液态水构成的湖泊。”

有水就可能有生命的孕育。有了这种种“证据”,人们不仅增强了寻找火星生命的信心,也看到了在火星上生活的希望。

艰难的“探亲”旅程

2月18日,在以色列南部内盖夫沙漠,“宇航员”在与火星极其相似的环境中进行科学试验。  新华社/法新

火星是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的“姐妹”,一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。

据了解,我国首个火星探测器搭载了13台科学载荷,将探测火星的形貌、土壤、环境、大气,研究火星上的水冰分布、物理场和内部结构。首次火星探测任务一步实现“绕、落、巡”探测,这在国际上前所未有,难度极大。

“我国首次火星探测任务于2016年立项实施,起步虽晚,但起点高、跨越大,基于探月工程的基础和‘长征5号’火箭的运载能力,如果成功,将使我国成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。”崔文元说。

按照“一步实现绕落巡,二步完成取样回”的发展路线,接下来,我国还将进一步实施火星表面采样返回任务,最终实现对火星从全球普查到局部详查、着陆就位分析,再到样品实验室分析的科学递进。

“十多年来,我国先后开展了五次探月活动,全部取得成功,对深空探测领域的轨道设计、探测器自主导航控制、深空测控通信等关键技术进行了验证,同时积累了丰富的经验。”崔文元说,尽管如此,想要踏上“红色星球”,来自中国的地球访客仍需冲破重重险阻。

首先是运动规律不同。月球是地球的天然卫星,主要在地球的引力作用下绕地球公转,而火星是行星,与地球同在太阳的引力作用下绕太阳公转。这种差异对轨道设计的要求截然不同,比如在发射窗口方面,理论上月球探测每个月都有发射机会,而火星探测每26个月才出现一次发射机会,对整个任务的总体设计、可靠性设计、计划管理等方面提出了更高的要求。

其次是地火距离更加遥远。月球与地球的距离约在36万千米至40万千米之间,而火星距离地球大约在5500万千米至4亿千米间变化,地火最远距离约为地月距离的1000倍,无线电信号传输时延达到23分钟。这种差异对天地测控通信能力和探测器自主运行能力都提出了更高的要求。

再次,太阳辐射更加微弱。地球距太阳的平均距离约为1.5亿千米,平均辐照强度约1378瓦/平方米,火星距太阳的平均距离约为2.3亿千米,平均辐照强度约为589瓦/平方米,只有地球的43%。这对火星探测器能源获取及热控提出了更高的要求。

此外,火星还具有稀薄的大气。月球表面近似真空,火星表面具有密度约为地球1%的大气,并存在强风和沙尘天气。大气的影响使得火星着陆更为困难,增加了气动减速和伞系减速的环节,控制环节更为复杂。沙尘天气对火星车的能源、热控,以及活动机构和光学载荷的安全等都带来不利影响。2018年,美国机遇号火星车就因遭遇沙尘暴而停止工作,并于今年2月被宣布“阵亡”。

“总而言之,这将是一趟艰难的‘探亲’旅程。一次任务实现火星环绕、着陆和巡视,掌握行星环绕、着陆巡视探测的基础和共性技术,它将成为我国继探月之后深空探测任务的‘敲门砖’。”崔文元说。

第二个人类“家园”

迄今为止,人类从未踏足火星。梦想中的“第二家园”到底长什么样?地球上或许也能窥见一斑。

青海省海西州大柴旦红崖地区拥有典型的雅丹地貌群,主要为荒漠,植被覆盖很少;地质上分布着河流、湖泊干涸的沉积物;物质成分中有大量氯化物、硫酸盐等水流蒸发后的残留物等。在专家眼中,这里是“中国最像火星的地方”,有助于开展火星和地球的环境对比研究。

天体跟人一样,都要经历诞生、成长、死亡。地球已经46亿岁了,虽然正值壮年,但也会慢慢“变老”、丧失活力。到那时,没有了火山活动、板块运动,也没有了强烈地震,地球冷却成了一块大石头,人类又该何去何从呢?

“为人类找到另一个安全的栖息地,这是全球科学家不懈追寻的梦想。”崔文元说,“目前,全世界科学家公认,改造火星是最好的选择。对于火星改造,各国科学家已展开了几十年的研究,提出了各种各样的步骤。”

聚焦“红色星球”,中国月球探测工程首席科学家、中国科学院院士欧阳自远曾与人合著过一本科普书,名字就叫《再造一个地球》。

作者认为,地球供养了人类几百万年,弱小的人类在这颗温暖舒适的星球上繁衍生息、发展壮大。然而,当地球不再能够承受人类发展之重以后,剩下的生存机会,则需要人类运用这几百万年间积累起来的智慧,从环境相对险恶,却更为广阔的宇宙空间中去获取。

计划听上去非常可行——

先要提高表面温度,让火星的冰盖融化,让其表面能够保持液态水,并自造温室效应。在地球上,我们现在呼吁减排,不能释放更多的二氧化碳。可在火星上,排放得越多越好。只有这样,才能使它提高表面温度,让冰盖融化,然后慢慢出现液态水,再进行下一步改造。

下一步改造大概需要经历七八个步骤,可能要花一到两个世纪的努力。刚开始登陆火星后,人类必须居住在密闭的地下或地面舱室中,最好是派机器人上去,发挥它们的智能作用,积极进行各种改造。随着火星温度上升、水流存在,再尝试引种可以产生氧气的植物,逐步提高氧气浓度。最终,使火星居民可以不再穿着宇航服,而是自由地走向火星的表面。

在欧阳自远看来:“通过人类的智慧和努力,火星完全可以改造成为一个生机盎然的小地球,再现青山绿水,真正成为人类的第二家园。”  (记者 张怀琛)

责任编辑:张永猛
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