火星探測(cè)器

編輯導(dǎo)語：

火星，這顆紅色星球，無論是在人類的宇宙探索史還是幻想史上，都一直占據(jù)著重要地位。2020年，中國(guó)火星探測(cè)器“天問一號(hào)”計(jì)劃于7月發(fā)射，即將拉開我國(guó)自主探索火星征程的序幕。

在這個(gè)七月流火的時(shí)節(jié)，我們特別在本期“科學(xué)”和“驚奇檔案”版塊為大家?guī)砹岁P(guān)于“火星探測(cè)器”和“科幻中的火星改造”兩個(gè)話題，以期能與大家一同更加了解這個(gè)令我們充滿遐想和向往的鄰居星球。

1、2020：絕佳的機(jī)遇

2020年前后，是全球火星探測(cè)任務(wù)相對(duì)密集的一個(gè)時(shí)期。美國(guó)、俄羅斯、歐洲、中國(guó)都將獨(dú)自或聯(lián)合發(fā)射火星探測(cè)器。選擇2020年作為發(fā)射時(shí)間點(diǎn)，是因?yàn)榛鹦敲扛?6個(gè)月才有一次距離地球最近的機(jī)會(huì)，這是對(duì)火星進(jìn)行探測(cè)的“最佳時(shí)間窗口”。在這個(gè)時(shí)間窗口發(fā)射火星探測(cè)器，不僅可以幫助各國(guó)節(jié)省運(yùn)載火箭的能量，還能增加宇宙探測(cè)器的有效載荷。

人類一直對(duì)太陽系有著孜孜不倦的探索熱情，但在太陽系中最大的“寵兒”還是火星。為什么世界各國(guó)對(duì)探測(cè)火星有如此濃厚的興趣？火星對(duì)于人類來說有什么重要意義呢？

2、火星文化——從“熒惑”到《火星救援》

火星的體積僅有地球的15%，通身由于廣泛存在的氧化鐵而熒熒如火。中國(guó)古代星象中將火星稱為“熒惑”，因?yàn)樗牧炼葧r(shí)常發(fā)生變化，運(yùn)行的軌跡捉摸不定，情況復(fù)雜令人懷疑和迷惑。古代星占家認(rèn)為，熒惑主戰(zhàn)亂，與兵、喪、饑饉、疾疫等亂象緊密相連，和太白一起被稱為兩大兇星。無獨(dú)有偶，古羅馬人也以羅馬戰(zhàn)爭(zhēng)之神Mars的名字命名神秘的火星，經(jīng)過占星術(shù)占卜后，認(rèn)為火星是激情、戰(zhàn)斗和欲望的象征。直到17世紀(jì)，神秘的火星仍然以無法捉摸的運(yùn)動(dòng)軌跡迷惑著天文學(xué)家，誘發(fā)他們不斷地觀察和探索。

1877年，意大利天文學(xué)家夏帕雷利通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，火星表面有許多河渠一樣的黑色線條。但當(dāng)人們將他的發(fā)現(xiàn)譯成英文時(shí)，“河渠”被翻譯成了“運(yùn)河”。這一發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)引起了許多天文學(xué)家的關(guān)注，他們把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)火星，還有不少人聲稱觀察到了“運(yùn)河”。而“運(yùn)河”這一帶著人造色彩的詞匯，也引起了人們對(duì)于火星人的猜想。美國(guó)人洛威爾觀測(cè)火星十幾年，根據(jù)拍攝到的照片繪制了火星運(yùn)河圖。他認(rèn)為火星上運(yùn)河長(zhǎng)度變化隨季節(jié)變化的原因是火星人引水灌溉農(nóng)田，而表面顏色變化則是作物的生長(zhǎng)成熟造成的。

在對(duì)火星運(yùn)河狂熱的年代，人們認(rèn)為火星上有高級(jí)文明似乎是無疑的了，于是以火星人為題材的科幻小說紛紛問世。1937年，美國(guó)紐約哥倫比亞廣播公司以新聞形式發(fā)表了改編H.G.自威爾斯科幻小說《世界之戰(zhàn)》（WarofWorlds）的廣播劇《宇宙戰(zhàn)爭(zhēng)》，稱火星上章魚一樣的怪物已經(jīng)登陸，它們非常聰明，但十分殘忍，人類無法阻擋，所到之處血流成河，入侵地球后甚至引起了星際大戰(zhàn)。廣播劇一經(jīng)播出，很多人信以為真，陷入了驚慌恐懼，還有人在逃生中受傷甚至喪生。這似乎可以說明，航天技術(shù)落后、對(duì)宇宙知之甚少的時(shí)代，人類對(duì)神秘火星的幻想也從未停歇。

如今航天技術(shù)高速發(fā)展，人類對(duì)火星也有了一定程度的了解，關(guān)于火星的作品更是層出不窮。馬特·達(dá)蒙主演的《火星救援》，以美國(guó)國(guó)家航空及太空總署NASA和其他組織共同探索火星為背景，把時(shí)間推移至2030年——那時(shí)，NASA的宇航員會(huì)定期登上火星，在上面生活和探索。它不僅把關(guān)于火星的想象和事實(shí)相結(jié)合，還以豐富的科學(xué)內(nèi)涵和堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)吸引觀眾，甚至在一定程度上可以作為載人登陸前的火星生存手冊(cè)。其中，對(duì)于居住艙、輻射防護(hù)、土壤改造等一系列移民火星需要解決的問題也進(jìn)行了大膽暢想，體現(xiàn)了人類對(duì)未來載人登陸火星的期望。

現(xiàn)實(shí)中，自阿波羅登月后，火星這個(gè)地球軌道外側(cè)最靠近地球的行星，就成了人類最念念不忘的目標(biāo)。它處于太陽系的宜居地帶內(nèi)，有稀薄的大氣層，是最有可能發(fā)現(xiàn)生命的星球。它是人們未來的希望，特別是在火星上尋找可能有的生命，更是成為世界科學(xué)家的一大夢(mèng)想——如果火星上有生命和水，它可能就是適合人類居住的另一顆行星，人類也就有可能向火星移民，開辟新的生存空間。正因如此，研究火星有利于人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球、火星及太陽系的形成和演化過程，從而預(yù)測(cè)地球的未來、為開辟新的家園作基礎(chǔ)。

火星上到底有沒有生命？火星是地球的前身還是地球數(shù)億年后的樣子？人類何時(shí)能去火星定居？好奇的人們?cè)絹碓较虢议_這顆鄰近行星的神秘面紗，火星探測(cè)器也應(yīng)運(yùn)而生。

3、經(jīng)驗(yàn)與挑戰(zhàn)——火星探測(cè)器技術(shù)發(fā)展史

沖天的火箭與升騰的熱浪，在我們熟知的太空發(fā)射場(chǎng)景之后，來到火星的探測(cè)器又是怎樣精準(zhǔn)進(jìn)入火星的軌道呢？

初期發(fā)射的火星探測(cè)器在到達(dá)火星附近后，會(huì)使用主動(dòng)制動(dòng)（利用自身攜帶的推力器產(chǎn)生推力制動(dòng)）的方式實(shí)現(xiàn)減速。2001年發(fā)射的“奧德賽”首次使用了一種被稱為“氣動(dòng)減速”的技術(shù)，利用火星的大氣來代替發(fā)動(dòng)機(jī)推力，減小飛行器的速度，使飛行器能夠沿軌道每一圈飛行逐漸降軌來靠近火星。

而降落在火星表面之前，為了保證著陸器最終能夠安全觸地、減少著陸沖擊、保護(hù)科學(xué)探測(cè)儀器不受到損壞，就必須要有著陸緩沖裝置。空間探測(cè)器在地外星球軟著陸的方式目前主要有三種：一種是氣囊彈跳式，二是著陸腿式，三是空中吊車式，每種方案都有各有利弊。氣囊式比較簡(jiǎn)單，成本低，但只能滿足重量小的探測(cè)器軟著陸要求;空中吊車式反之;著陸腿式則介于它們兩者之間。

1997年美國(guó)發(fā)射的“火星探路者”首次采用了氣囊彈跳緩沖著陸方式。2004年，作為“火星探路者”的升級(jí)版本，第二代火星車“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)同樣延續(xù)了氣囊著陸方式，但在此基礎(chǔ)上使用了反推火箭，大大減小了著陸時(shí)的沖力。隨后發(fā)射的“好奇”號(hào)的著陸過程首次使用了一種名為“天空起重機(jī)”的輔助設(shè)備助降。在經(jīng)過大氣摩擦減速和降落傘減速后，“天空起重機(jī)”開啟八臺(tái)反推制動(dòng)火箭，進(jìn)入有動(dòng)力的緩慢下降階段。這次成功的著陸為未來的載人登火計(jì)劃奠定了基礎(chǔ)，也開啟了深空探測(cè)噴氣式著陸的新篇章。

火星探測(cè)的科學(xué)探索之路也并非一帆風(fēng)順。探測(cè)任務(wù)失敗的原因往往不只是簡(jiǎn)單的失誤，還有其背后隱藏的心態(tài)問題。1999年的火星氣候軌道探測(cè)器下落不明，美國(guó)航天局的工程師總結(jié)，“探測(cè)器進(jìn)入火星大氣層時(shí)飛得太低了，可能導(dǎo)致燒毀。”事故原因表面上看來是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員計(jì)算時(shí)將數(shù)據(jù)搞混了。但深思細(xì)品，則是當(dāng)時(shí)“更快更好更廉價(jià)”的任務(wù)方針釀成的后果。常規(guī)的“二次確認(rèn)”被省略了，當(dāng)有人發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，他們得到的回答是“你們得證明我們偏離軌道了”，而此時(shí)探測(cè)器還尚未偏離。不確定性被當(dāng)作了放棄確認(rèn)的借口。

科學(xué)家們吸取教訓(xùn)，采取了更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度。美國(guó)2005年發(fā)射火星偵察軌道器的團(tuán)隊(duì)吸取了失敗任務(wù)的教訓(xùn)，才讓這次任務(wù)變得非常成功，發(fā)射的探測(cè)器至今仍在運(yùn)行。

隨著探測(cè)器深入越來越寒冷的太空，到達(dá)火星時(shí)陽光的強(qiáng)度只有地球的一半，因而需要更多的太陽能板或者更高效率的供能電池，以滿足能源需要。在科學(xué)家的不懈努力下，2012年，第三代火星車“好奇”號(hào)不再采用太陽能電池板，而是采用核動(dòng)力，因而可以全天候工作，也不再懼怕沙塵暴和極端天氣，在火星表面的連續(xù)行駛能力和機(jī)動(dòng)能力也更加強(qiáng)大。

1997年，美國(guó)宇航局的“火星探路者”安全降落在這顆紅色星球表面。在降落之后，它釋放出一輛被稱作“旅居者”的小型火星漫游車，這是人類史上第一輛在火星上行駛的車。以往，探測(cè)器一旦著陸就無法移動(dòng)，即使發(fā)現(xiàn)著陸點(diǎn)不遠(yuǎn)處的物體也無法探索，因?yàn)橹懫鳑]有可供移動(dòng)的設(shè)備。但從“旅居者”開始，火星探測(cè)器第一次裝上了輪子，可以根據(jù)指令在火星表面進(jìn)行移動(dòng)探索。攜帶了十多種“科學(xué)武器”的“好奇”號(hào)相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的野外地質(zhì)學(xué)家，這是火星探測(cè)領(lǐng)域的一次大跨越。

1962年11月，蘇聯(lián)發(fā)射的“火星一號(hào)”探測(cè)器被視為人類火星探測(cè)的開端，在1966年后，每?jī)赡暌淮蔚挠欣翱谄陂g，都有火星探測(cè)器發(fā)射。人類使用空間探測(cè)器進(jìn)行火星探測(cè)的歷史幾乎貫穿整個(gè)人類航天史，目前為止，人類已經(jīng)先后46次嘗試發(fā)射了大約50個(gè)火星探測(cè)器，對(duì)火星及其衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了飛越、環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)，獲得了無數(shù)珍貴的科研資料。

整個(gè)火星探測(cè)過程涉及多方面、多學(xué)科，難度非常大，整個(gè)火星探測(cè)史可謂是敗多勝少，但火星探測(cè)就是在一次又一次的失敗中不斷前進(jìn)?；鹦翘綔y(cè)器是載人火星的“先行者”，每一次進(jìn)展都是圍繞著發(fā)射、著陸、能源、探測(cè)等問題而進(jìn)行，進(jìn)而為載人登陸火星積累經(jīng)驗(yàn)。今后人類也將繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、反思教訓(xùn)，以迎接新的挑戰(zhàn)。

4、火星探測(cè)的“超級(jí)2020”

平均每26個(gè)月才有一次地球奔向火星的時(shí)間窗口。從上一次的窗口期2018年5月到現(xiàn)在的2020年7月，兩次窗口之間已經(jīng)集中了6次發(fā)射與10個(gè)探測(cè)器，堪稱人類有史以來火星探測(cè)最為密集的時(shí)期。

美國(guó)計(jì)劃發(fā)射的“火星2020”著眼于未來，計(jì)劃展開一場(chǎng)超時(shí)空接力賽：采集火星巖石和土壤樣本，存儲(chǔ)起來，以待后續(xù)火星探測(cè)器將它們?nèi)』夭⑺突氐厍?，為進(jìn)一步的分析研究提供保障?！盎鹦?020”還有一個(gè)很重要的功能就是提取大氣中的氧氣，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)未來登陸火星的宇航員很重要。如果有關(guān)技術(shù)取得成功，不但能發(fā)射更大、更復(fù)雜的探測(cè)器，還有利于載人飛船降落技術(shù)的開發(fā)和成熟。

2020年7月，阿聯(lián)酋研發(fā)的“希望號(hào)”火星探測(cè)器將按照計(jì)劃搭乘日本的H-2A火箭升空。“希望號(hào)”是運(yùn)行在火星軌道的緊湊型探測(cè)器，將環(huán)繞火星進(jìn)行4年勘測(cè)任務(wù)，繪制火星詳細(xì)地貌和大氣變化情況，期望解開火星上水源消失的原因。

而這個(gè)新窗口期里，中國(guó)也將在火星探索上開啟全新征程。2017年的“兩會(huì)”上，全國(guó)政協(xié)委員、中國(guó)科學(xué)院院士葉培健就中國(guó)火星探測(cè)發(fā)表了意見。他表示，國(guó)內(nèi)航空航天有關(guān)部門現(xiàn)正在進(jìn)行火星探測(cè)器的研制工作，預(yù)計(jì)2020年將發(fā)射中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器，經(jīng)過7個(gè)月的飛行，于2021年飛抵火星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。他還說，在這次任務(wù)當(dāng)中將完成對(duì)火星的全球觀測(cè)，這將是世界第一次。

中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)命名為“天問”，取自屈原《天問》。按照計(jì)劃，“天問一號(hào)”火星探測(cè)器要一次性完成“繞、落、巡”三大任務(wù)，這是世界航天史的首創(chuàng)。而長(zhǎng)征5號(hào)運(yùn)載火箭也是首次搭載三套不同目標(biāo)的設(shè)備，一次發(fā)射任務(wù)就能完成多種不同需求的發(fā)射計(jì)劃，火星軌道衛(wèi)星將與火星地面的火星車聯(lián)合進(jìn)行任務(wù)，完成火星上的地貌、大氣、環(huán)境以及磁場(chǎng)多方面的數(shù)據(jù)資料收集，這種空間與地面立體配合的方式將比其他國(guó)家探測(cè)收集到的資料更為詳細(xì)。相信“天問”系列，會(huì)秉承先人的精神，面向未來，不斷探索，勇于創(chuàng)新。

5、展望未來——載人火星探測(cè)是下一目標(biāo)

從人類第一次探索這顆人類熟悉的紅色星球至今，火星探測(cè)的成功率越來越高，技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。裝備于探測(cè)器上的精密取樣觀測(cè)儀器、太空起重機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的軟著陸、核動(dòng)力發(fā)電技術(shù)確保的能源供給……這些新的探測(cè)手段、著陸方式、能源供應(yīng)技術(shù)為未來的載人登陸火星任務(wù)提供了基礎(chǔ)，為人類向火星移民、開辟新的生存空間提供新的希望。

載人登陸火星已經(jīng)成為全人類的共同夢(mèng)想。雖然人類探索火星的道路仍充滿挑戰(zhàn)，但不懼挑戰(zhàn)和不懈探索的精神正是人類社會(huì)蓬勃發(fā)展至今的動(dòng)力?；鹦翘綔y(cè)器作為載人火星航天的“先行者”，將為人類登陸火星提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。未來，載人登陸火星、改造火星環(huán)境、火星移民也許并不只是科幻小說里遙不可及的夢(mèng)想。

在通往未知的遠(yuǎn)征中，讓我們拭目以待。

【責(zé)任編輯：艾珂】