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“天問一號”發射升空!關于火星探測,你需要知道的都在這里
發布時間:2020-07-24     作者:   來源:環球科學   分享到:

23日12時41分,中國首個火星探測器“天問一號”搭乘長征五號遙四運載火箭,在中國海南文昌航天發射場發射升空。作為國首次執行火星探測任務,“天問一號”的任務目標是通過一次發射,實現火星環繞、著陸和巡視探測,獲取火星探測科學數據。根據計劃,經過約200天的飛行后,探測器將抵達火星軌道,于2021年2月11-24日環繞火星運行,并于2021年4月23日降落一臺火星車到火星表面,進行時長90個火星日的探索工作。

通常來說,火星探測有三種方式:在軌道上繞火星飛行進行較遠距離探測的環繞器,降落到火星表面,原地進行探測和實驗的著陸器,以及能在火星上運動的巡視器(火星車)。而我國計劃在首次火星探測項目中一次性實現“繞”、“落”、“巡”三大任務,這在世界航天史上還沒有過先例。

在此次火星探測任務中,“天問一號”將完成哪些任務?有望在哪些領域為我們帶來全新的發現?目前我們對火星的了解又到了什么程度?在“天問一號”抵達火星之前,先來了解一些基本信息吧。

“天問一號”的多項任務

火星是太陽系中與地球環境最為相似的行星,了解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要價值,也對人類拓展生存空間具有重要意義。如果“天問一號”探測任務成功完成,將為我們提供關于火星的大量全新信息。

例如,為了繪制火星的地質結構圖,環繞器和火星車都配備了探地雷達。環繞器上的雷達可以“看透”幾千米深的地層,而火星車上的雷達雖然看不到這么深,但分辨率卻能達到厘米級。這或許能幫助我們了解火星地表以下的水冰分布。

而“天問一號”另一項激動人心的任務,是探測火星的磁場。目前有理論認為,火星曾擁有和地球類似的磁場。然而隨著火星內核中熔融的鐵逐漸冷卻,它的磁場也逐漸減弱甚至消失。失去了地磁場的火星被暴露于太陽風和輻射下,并導致其失去了地表水和大氣。火星的磁場究竟發生過怎樣的變化?“天問一號”環繞器與火星車將為我們提供更多的證據。

除此之外,環繞器和火星車還將搭載礦物光譜儀、高能粒子分析儀、激光擊穿光譜儀等多種儀器。這些設備將幫助遠在地球的科學家研究火星巖石、土壤和大氣的成分,更好地了解火星環境。

“天問一號”火星車的設計壽命為90個火星日(一火星日約為24小時40分鐘)。這將成為中國航天者向太空發問的第一步,也是中國航天走向深空的里程碑。

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“天問一號”著陸器及巡視器(圖片來源:CNSA)

關于火星,我們了解多少?

近些年來,一些歐美國家的火星探測器取得了一些重要的發現,也提出了更多關于火星的疑問。我們期待著,即將抵達火星的“天問一號”將揭開其中部分問題的真相。

火星上有生命嗎

火星上存在生命嗎?如果說目前火星嚴酷的條件似乎難以支持生命活動,但多項研究已經證實,早期的火星曾有大量液態水,甚至10億年前火星表面可能仍有河流,那么火星上曾經有過生命嗎?對此,科學界目前還沒有明確的答案。不過,在近期的研究中,“好奇”號還是發現了一些可能與生命有關的跡象。

2018年,“好奇”號的兩項研究同時登上《科學》雜志。其中一篇,“好奇”號在火星地表具有30億年歷史的沉積巖中,發現了一些穩定的有機分子。這些有機分子包含碳元素和氫元素,同時可能含有氧、氮等其他元素。不過,有機分子雖然與生命聯系緊密,但它們也可能由非生物反應過程產生,因此不能作為證實火星生命的確鑿證據。另一篇論文則是發現了火星大氣中甲烷含量的周期性變化。同樣,這些信號可能來自生物反應,但更大的可能性是水和巖石的化學反應。因此,火星生命的答案,仍需等待今后的火星車探測。

火星上有多少水

火星生命的疑問懸而未決,但作為維系生命的基本元素——液態水,已經有了初步的答案。在2018年,《科學》雜志的一篇論文給出了火星存在液態湖泊的證據。利用歐洲航天局“火星快車”號探測器搭載的MARSIS雷達系統,意大利科學家在火星南極1.5千米厚的冰蓋下首次發現大面積液態水。這是一片至少有數米深、直徑約20千米的湖泊。盡管高鹽度讓這個直徑達20千米的湖泊很難成為常見生命的搖籃,但研究人員認為,在火星的其他區域,還有可能存在更多地下液態水。這項研究也為進一步的火星生命搜尋提供了線索。

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來源:歐洲航天局

除此之外,火星勘測軌道飛行器(MRO)也在更早的時候也通過高分辨率的拍攝,觀測到了火星溫暖的陡坡上的深色條紋(季節性斜坡線),研究人員認為這種特征性的圖案是鹽水流過的證據,這樣的條件也為微生物的生存提供了可能。不過這項證據仍有爭議,2017年也有研究提出了不同的觀點:季節性斜坡線可能只是火星流沙的產物。

火星的大氣去哪了

早期的火星曾是一顆有著廣闊海洋和濃厚大氣層的溫潤星球,但在漫長的演化過程中,火星的大氣層幾乎消失,失去大氣層保護的火星也變得干燥、嚴寒。那么,火星的大氣究竟去哪了?

2013年,NASA發射了火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器。MAVEN探測器通過對火星大氣與磁場的探測,發現了一些線索。研究發現,火星大氣正以兩種主要途徑向太空逃逸。一種是離子逃逸,即太陽風吹向火星大氣時,其中的帶電粒子與大氣中的分子碰撞,使得氣體分子丟失電子,在太陽風帶來的電場加速作用下逃逸。另一種逃逸方式是噴濺逃逸:在太陽風中高能粒子的撞擊下,高層大氣中的氣體分子四處飛濺,其中一部分在這一過程中獲取了足夠的動能,逃脫火星的束縛。在太陽的生命早期,太陽風暴的頻率和強度都遠高于現在,星較弱的磁場也不足以對大氣層構成有效保護。因此在兩種機制的共同作用下,火星的海洋與大氣層消失了。

火星上的“地震”活動是什么樣的

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圖片來源:NASA/JPL-Caltech

如果說之前的一系列探測器讓我們了解了火星大氣層、地表的一系列信息,那么2018年登陸的“洞察”號火星探測器則是首次窺視火星的內部結構。2019年4月,“洞察”號首次監測到了一次“很可能是火星震的活動”。如果得到證實,這將是人類首次觀測到火星震。而截至2019年10月,“洞察”號已經捕捉到超過100次震動,其中21次極可能是“火星震”。目前,NASA科學家正在分析震動的原因。基于“洞察”號的這些研究不僅開啟了“火星震學”這個全新的領域,還將幫忙我們重新認識火星的形成與演化。

“天問一號”將如何前往火星?

“天問一號”的火星之旅,將面臨著很大的挑戰。難度首先存在于在地火距離遙遠以及對火星環境的不了解上。相比地月距離,地球與火星的距離非常遙遠,最遠時約為4億千米,最近時也有約5600萬千米。以我國這次將要發射的火星探測器為例,需要飛行200多天才能到達遙遠的火星。這帶來的首個挑戰,就是在攜帶燃料有限的情況下,探測器如何能夠飛越如此遙遠的距離,這就需要研究者對探測器飛行軌道進行精密的設計。

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火星探測器飛行效果圖。圖片來源:國家航天局

根據計劃,火星探測器會按照“霍曼轉移軌道”飛行。在“天問一號”火星探測器發射升空后,會先在地球附近加速,進入霍曼轉移軌道利用慣性保持飛行,慣性飛行過程中不需要消耗燃料。等到達火星軌道時,探測器會“剎車”降低速度,最終被火星捕獲。這就是本次火星探測任務第一階段的目標:環繞火星飛行。

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圖片來源:國家航天局新聞宣傳中心

若想成功進入霍曼轉移軌道,對火箭的運載能力和入軌精度有很高的要求。月球探測器進入地月轉移軌道所需的速度是10.9km/s,而火星探測器進入霍曼轉移軌道的速度至少要達到第二宇宙速度(11.2km/s)。因此,這次發射任務使用了新一代運載火箭中推力最大的“胖五”——長征五號運載火箭。在成功進入太空后,整流罩中的火星探測器會與火箭“星箭分離”,獨自飛向火星,這段旅程大概需要6~7個月。如果一切順利,探測器預計于明年2月左右到達火星引力勢場內,切入火星軌道,被火星捕獲。這個捕獲的階段非常關鍵:在切入火星軌道時,如果切入點離火星太近,探測器可能會墜毀;如果太遠,探測器可能無法被引力捕獲而掠過火星。

若能成功切入火星軌道,再經過多次調整,環繞器就可以進行環繞探測了。這時我們將迎來本次火星探測任務的第二個階段,也是最大的難點——火星著陸。火星探測器需要將4.8km/s的超高速,減到火星著陸時的0,這個過程只有7分鐘左右,也被稱為“恐怖7分鐘”。著陸器何時開始減速進入火星大氣、進入的姿態、進入的角度都需要精準的控制,然而問題在于,我們對于火星上的環境,尤其是大氣狀況的了解非常有限。再加上地火距離遙遠,從地球發送到火星的單程無線電信號,單程延時為20分鐘左右,難以依靠地球指揮著陸。

“天問一號”任務計劃采用的減速方式將分為四個階段進行。第一個階段是氣動減速段,探測器會踩下“急剎車”,在大約290秒內將速度從4.8 km/s迅速降低到460 m/s。接下來探測器將打開降落傘,在大約90秒后,速度會降到約95 m/s。隨后進入第三個階段——動力減速段,探測器的反推發動機開始工作,在80秒內將速度降到3.6 m/s以下。當探測器距離火星表面約100 m高時,就進入了最后的著陸緩沖段,探測器準備開始懸停避障。此時探測器的速度已經很慢了,探測器會自主觀察火星表面,快速計算出最佳著陸點。最終它將水平移動到該點上方,伸出“四條腿”,并在穩定著陸后展開舷梯釋放火星車。

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