三艘航天器计划发往火星 近期“扎堆”火星探测为哪般?

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三艘航天器计划发往火星 近期“扎堆”火星探测为哪般?
中新社微信公众号 | 2020-07-19 20:08:04
本月底,我们将迎来火星探测的“高光时刻”。有三艘航天器计划在7月底至8月初的发射窗口被发射往火星,分别是预计于北京时间7月20日清晨发射的阿联酋“希望号”火星探测器,计划于7月下旬到8月上旬择机实施的中国首次火星探测任务“天问一号”,以及预计于7月30日发射的美国国家航空航天局(NASA)的“毅力”号火星车。

NASA拍摄火星表面图片。(资料图)
——为何此时“扎堆”去火星? ——省钱
从理论上来说,从地球到达火星的路线有很多种。但各国火星探测器“不约而同”选择在这个时间段发射,其实是出于节省燃料和推力的原因考虑,选择一条“最经济”的轨道完成任务。
简单来说,因为地球在绕太阳公转,火星也在绕太阳公转,而且它们两个轨道不同、速度不同,所以如果要从地球到火星要发射一个探测器,就必须在特定的时间内,也就是地球和火星都刚好处在合适的位置的时候发射才能最省燃料。而这样的“窗口期”大约每26个月才出现一次,有能力探测的国家都格外珍惜每一次发射窗口期,也因此出现了多个国家“扎堆”去火星的状况。

图为2008年7月31日发布的“凤凰号”火星探测器在火星拍摄的全景照片。图片来源:视觉中国
——这次去火星想干嘛? ——解谜、采样
有数据显示,自1960年以来,美国、苏联/俄罗斯、日本、欧洲和印度先后进行了近50次火星探测项目,探测任务涉及火星环境特征、火星地貌特征、火星内部结构等多个领域。本月底即将发射的三个探测器也各有其侧重方向:
阿联酋“希望号”火星探测器,是阿联酋首枚火星探测器,由阿联酋和美国合作研制。按计划,“希望号”升空后,将飞行近5亿公里,并于2021年2月抵达火星轨道。
届时,“希望号”将像气象卫星一样,绕火星做近赤道轨道运行,收集星球上不同区域在不同季节和不同时间的全天候气象数据等,帮助地球上的科学家更全面地了解和掌握火星的气候条件。这或许有助于解开一个关于火星的重要谜团:曾经和地球一样遍布江河湖海的火星,怎么变成现在这种干枯、荒芜的状态。

长征五号火箭垂直转运至发射区,近期择机实施中国首次火星探测(行星探测工程“天问一号”任务)。张高翔 摄
中国的“天问一号”火星探测任务则将一次性完成“火星环绕、着陆和巡视探测”三大任务,此外还要完成5大科学目标,主要涉及空间环境、形貌特征、表层结构等研究。火星车还携带了大气环境测试仪,可以获取火星温度、风力等信息,届时大家将可直观地了解火星和地球环境的异同。
已经两度推迟发射日期的美国“毅力”号火星车将携首架火星直升机“机智”号一同前往火星,这将是NASA造访火星表面的第9个探测器。

图为“毅力”号火星探测器效果图。
按计划,“毅力”号将于2021年2月18日在火星赤道以北的耶泽罗陨石坑登陆。其任务包括寻找可能在火星上存在过的生命迹象,探索火星的气候和地质特征,收集样本以备未来送回地球,为人类登陆和探索火星探路。
——为什么去的是火星? ——像地球
在这轮发射窗口之前,人类已经对火星展开了一系列的探索。早在1960年,苏联就向火星先后发射了两枚探测器“火星1A”号和“火星1B”号,虽然“出师不利”,但依旧开启了人类对火星的探险之旅。进入21世纪后,随着空间技术的不断发展,美国和欧洲航天局相继成功发射了火星探测器,印度的首颗火星探测器也于2014年成功进入绕火星运行的轨道。继月球探测之后,火星成为人类探索太空的下一个“热门”目的地。

2003年欧洲航天局(ESA)发射“火星快车号”卫星和“小猎犬2号”登陆器,这是该机构发射的第一火星探测器。
火星为什么能够从太阳系行星中脱颖而出,获得天文学家如此“青睐”?业余天文学家、果壳主笔虞骏介绍说,金星和火星是太阳系中距离地球最近的两颗行星,金星的位置甚至比火星离地球更近一些。人类进入航天时代之初,苏联和美国曾向金星发射了多个探测器,结果发现金星表面高达465~485℃,大气层厚,气压接近地球的一百倍,连机器都没有办法开展长时间考察,因而科学家们的目光转移到另外一颗离地球近的行星——火星。

2015年9月28日,在美国首都华盛顿,这张由美国航天局和亚利桑那大学联合发布的图片显示,火星山丘上的“季节性斜坡纹线”是火星表面有液态水的有力证据。
火星的环境相对地球虽然恶劣,但是没有恶劣到完全没有希望的地步,并且在一定程度上与地球相似。比如,火星自转一圈耗时24小时37分左右,所以火星上一天的时间和地球上是差不多的;和地球一样,火星也是倾斜着绕太阳公转,所以在火星上也有一年四季的交替。只不过由于火星的公转速度比地球慢上了一倍,所以火星上的一年大约是地球上的两年;另外之前的探测结果发现,火星历史上曾经出现过类似于地球的温暖潮湿的环境,在很长的一段时间里,火星表面甚至存在大面积的海洋。

2019年4月6日,SEIS地震仪捕捉到了一个波动信号,科研团队确信这种微弱的隆隆声不是来自风等其他外力,而是来自火星内部,大致相当于2.5级地震。
正是这些与地球相似的环境因素,让人们将火星视作除地球外有可能孕育生命的星球之一,也被认为是未来人类最有可能移居的行星,这些都吸引着有能力的国家去探索这颗红色星球。
——登陆火星难吗? ——比登陆月球难
在科幻电影《火星救援》的情节中,由于火星上的一场沙尘暴,宇航员兼植物学家马克与团队失联,被困在了火星上自救求生。而在现实中,人类探索火星的历程也充满了艰难险阻。有数据显示,自1960年以来,人类的火星探测项目完全成功率仅有43%,其余的项目都出现探测器撞毁、失灵或失踪等状况。

2月26日消息,当地时间24日,美国研究人员公布火星震动数据,称“洞察号”着陆器已经检测到火星数百次震动,认为这颗红色星球十分“活跃”,是一颗"活“星体。
虞骏分析说,任何航天探索项目都充满了难关。火星探测首先需要推力足够大的火箭,将探测器、火星车等一并送至地火转移轨道,有了这个先决条件,才能开启探测任务;
“打得动,还要打得准。”虞骏指出,火箭从地球发射出去后,要确保它在太空里飞向火星。“太空里其实非常空旷,也不像地球上有很多导航系统,因此地面上必须需要有配套的测控系统,确保探测器能够沿着正确轨道飞到火星。”
沿着这条轨道靠近火星之后,探测器还必须变轨减速切入火星轨道,探测器切入火星轨道的时间点和速度,都必须十分精确,稍有闪失就会导致失败。
“当然最难的一点,是着陆。”虞骏说,“我们都看过嫦娥三号、嫦娥四号在月球表面着陆,但着陆火星的难度要比着陆月球还要大。”
具体分析来看,一是火星有大气层,火星着陆时探测器多了一个进入大气层和打开降落伞的环节;但它的大气层又太稀薄,密度只有地球大气层的1%,单纯打开降落伞减不了足够的速度,还必须有其他的进一步减速的手段,因此着陆火星的流程要更复杂。
另外,探测器从进入大气层开始要着陆,到最后落在火星表面,大概需要8分钟时间,而由于火星距离地球十分遥远,从地球发送到火星的无线电信号,单程延时约为16分钟,甚至更久,因此着陆时开伞减速、悬停避障、关机等所有步骤都必须依靠探测器自身完成。在这个过程当中,不管发生任何异常,身在地球的我们都鞭长莫及。
“我们要客观看待火星探测任务的难度,迄今为止,人类的火星探测项目完全成功率还不到50%。”虞骏说,“但我们更要看到,60年来人类从未停止对火星的探险脚步,这也是人类探索精神的最佳写照。”(记者 刘旭)
 

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