我国火星探测将创历史 首次探测即瞄准环绕、着陆和巡视三大目标

2019-10-06 15:19

  明年是火星探测器的发射窗口,将有四个国家或组织的火星探测器升空,即中国的火星探测器、美国的火星-2020漫游车、欧俄的火星生物学-2020探测器、阿联酋的希望号火星探测器。

  其中我国的火星探测将通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,并对局部地区开展巡视探测,这在世界火星探测史上是前所未有的。

  火星是太阳系中与地球最相似且距离第二近的行星,因此成为目前除地球以外人类研究程度最高的行星,人类用空间探测器对火星进行探测的历史几乎贯穿整个人类航天史。探测火星对研究地球、生命的起源和演变,了解火星的气候、地质和资源,为今后在其上建立人类第二个家园做准备等,都具有重要的意义。

  人类探测火星的方式与探测月球的方式基本相似,包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测等五种。其中采用环绕探测方式可以对火星进行普查;采用着陆探测和巡视探测方式可以对火星进行区域性详查;采用采样返回探测和载人登陆探测方式可以对火星进行区域性精查。但它们按前后顺序来说技术难度是越来越大,所以一般都采用循序渐进的方针,先进行环绕探测,然后进行着陆探测、巡视探测、采样返回探测,最终进行载人登陆探测等。

  目前,人类在探月的历程中,这些探测方式都采用过,但每次发射基本上只采用其中的一两种探测方式。例如,我国嫦娥1号、嫦娥2号采用环绕探测方式;嫦娥3号、嫦娥4号采用着陆探测、巡视探测,即一次发射两个探测器;即将发射的嫦娥5号采用采样返回探测方式,将从月球上取回2公斤样品到地球,供我国科学家在实验室里进行精查。印度今年7月22日发射的月船2号探测器原计划通过一次发射实现环绕、着陆和巡视三个目标,但其着陆器与轨道器分离后在月面着陆的计划却在9月7日遭遇失败,不过轨道器运行仍能正常工作。

  与月球探测相比,由于火星距地球的距离比月球距地球的距离遥远得多,探测火星的难度也比探测月球的难度大得多,因此,至今人类对火星的探测只采用过环绕探测、着陆探测、巡视探测方式,未来的目标是对火星进行采样返回探测和载人登陆探测,但难度、投资和风险都将很大。

  一次发射完成多种探测的好处是可以“少花钱,多办事”,但技术复杂,风险很大,所以一般很少采用。目前,只有美国的海盗1号和海盗2号火星探测器成功实现了通过一次发射完成环绕探测和着陆探测。欧洲曾两次进行类似的火星探测活动,但都只完成了环绕探测,而着陆探测均告失败。

  1975年8月20日和同年9月9日,美国先后发射了海盗1号和2号,任务是搜寻火星生命存在的证据。它们基本一样,都是由1个约2.3吨重的轨道器和1个1.1吨重的着陆器组成,飞到火星附近时分离,其中轨道器进入环绕火星的轨道进行在轨观测,着陆器进入火星大气并在火星表面着陆,但它们的着陆地点不同。

  1976年6月19日,海盗1号轨道器进入环绕火星轨道;同年7月20日,海盗1号着陆器在火星表面着陆,成为世界上首个在火星上着陆的探测器。1976年8月7日,海盗2号轨道器进入环绕火星轨道;同年9月3日,海盗2号着陆器在火星表面着陆。它们为后来的火星探测器在火星软着陆奠定了基础。

  英国和欧洲航天局就没有这么幸运了。2003年6月2日,欧洲“火星快车”探测器升空。它是由欧洲的“火星快车”轨道器和英国的猎兔犬2号着陆器两部分组成。2003年12月19日,着陆器与轨道器分道扬镳,其中欧洲轨道器于2003年12月25日进入环火星轨道,然后开始探测工作,并超期服役至今。着陆器在与轨道器分离后就失去了联系,一直没有音讯,使英国乃至欧洲航天界百思不得其解。直到2015年1月16日,英国航天局发布声明称,通过美国“火星勘测轨道器”拍摄的高分辨率图像,在火星表面发现了10余年前失踪的英国猎兔犬2号着陆器。图像显示,猎兔犬2号降落在预定着陆区,它的引导伞仍连着着陆器,主降落伞散落在附近,太阳能电池板没有完全展开,所以导致其无法与地球取得联系。

  2016年3月14日,欧洲的“火星生物学-2016”探测器升空。它由欧洲“微量气体轨道器”和“夏帕雷利”进入、降落和着陆演示器组成。其中轨道器主要用于探测火星大气中的微量气体;着陆器用于火星表面着陆试验。同年10月16日,着陆器与轨道器分离。此后,“微量气体轨道器”经过变轨进入到预定的火星轨道,但原计划于2016年10月20日在火星表面着陆的“夏帕雷利”在着陆火星表面前与地面失去了联系,原因是一个仅一秒的计算失误,提前将降落伞与防热罩分离了,导致“夏帕雷利”硬着陆而撞毁。

  简言之,采用“一举多得”的方式探测火星比较少见,只有上述4次,成功率为50%。所以,我国明年在首次发射火星探测器时计划史无前例地通过一次发射完成火星环绕、着陆和巡视三项任务,起点很高,同时也具有很大的挑战性。

  著名航天专家叶培健院士在接受笔者采访时表示:我们若想实现超越,必须要“弯道超车”,利用现有的技术实现两步并一步走。如果2020年发射成功,可以在2021年7月以前抵达火星。我国火星探测无论在巡视器上,还是轨道器上都有很多不同的有效载荷,可实现各种科学目标,这是很有意义的。我国很早就开展了相关研究,2016年6月初样方案就完成了,所以我们还是很有信心的。届时,实施我国火星探测“绕”“落”“巡”一步完成,这一跨越式方案在全世界都是首次。

  2020年7月至8月,中国、美国、欧俄和阿联酋都将发射火星探测器,从而掀起火星探测的新高潮。

  我国火星探测器由环绕器(也叫轨道器)、着陆器和巡视器(又叫火星车)组成。其工程目标是突破火星制动捕获而进入、下降和着陆,长期自主管理,远距离测控通信,火星表面巡视等,实现对火星全球综合性环绕探测和区域性巡视探测,获取火星探测科学数据,使我国深空探测能力和水平进入世界航天第一梯队,实现跨越式发展。其科学目标是实现对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等进行科学探测。

  美国将发射汽车大小的火星-2020漫游车,它是目前在火星表面工作的好奇号火星车基础上改进的,火星车底盘大体不变,并仍采用“空中吊车”方式着陆。该火星车有四大特点:一是将收集最有希望的内部岩石和土壤的样本,然后放置在火星表面上,未来将发射探测器把样本带回地球;二是装有23台相机,其中的多谱立体成像仪将为科学家提供更多高分辨率、色彩鲜明的3D图像;三是携带了火星氧元素原位资源利用实验仪,可以将占火星大气96%的二氧化碳转化为氧气;四是携带一架每天可工作3分钟、飞行1公里的小型无人驾驶直升机,可前往漫游车难以到达的地区或生物敏感地区进行区域勘探。

  欧俄的火星生物学-2020探测器由欧洲首辆火星车“罗莎琳德富兰克林”(发现DNA结构的科学家)和俄罗斯“哥萨克舞”火星表面平台组成。欧洲火星车装有6个轮子,每个火星日移动大约100米,可适应火星表面复杂的地形。它由太阳能电池板供电,通过加热器和电池过夜。它的两米长钻头将尝试挖掘埋藏在火星地表下的生命元素。质量为827.9千克的俄罗斯“哥萨克舞”火星表面平台设计寿命为1年,用于研究火星的环境。不过,在今年早些时候的两次主要测试中,欧洲火星车的降落伞都出了问题。

  阿联酋的首个火星探测器叫希望号,为紧凑型六棱柱结构,设计寿命为2年,发射质量为1.5吨,用日本H-2A运载火箭送入太空,采用环绕探测火星方式研究火星大气和环境。管家婆高手27735cm

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