红色星球上,美国纪元末结
“祝融号”火星车于5月15日胜利着陆火星,圆满完成了所有既定巡视探测使命。8月15日,它末于到达了设想寿命(90个火星日,约合92个地球日),起头进入超期退役形态。
截至8月23日,“祝融号”已在火星渡过了100个日夜,同时其行驶里程也刚好打破了1000米!那也意味着中国的火星探测方案获得了史无前例的庞大胜利。
“祝融号”拍摄的火星照片。
与此同时,美国的“毅力号”火星车也早已着陆火星,在地表遨游。而名不见经传的阿联酋发射的“希望号”也正在火星轨道上环绕。
1961年苏联宇航员加加林吼叫上天,标记着人类初次冲出地球的勤奋获得胜利;次年,美国总统肯尼迪颁发演讲“我们选择登月,并非因为容易,而是因为很难”,为人类迈出地球奠基根底;如今,人类正向着更远的火星进发!
虽然近年来人类的火星探测器发射获得了史无前例的高胜利率,但回忆人类的火星摸索过程,从最原始的肉眼看到如今的火星车在火星外表巡游,人类对火星的摸索履历了各类回环盘曲,跌宕起伏。
如今的灿烂是在前人的失败上筑成的,今天,库叔就带你展开人类摸索火星的画卷。
文丨田硕 瞭望智库察看员
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为什么选火星?
2014年4月9日,天文喜好者在青岛用千里镜不雅测到的火星。图|视觉中国
太阳系的八大行星分为类地行星(水星、金星、火星)和气态行星(木星、土星、天王星、海王星)。类地行星因为有固体外表,且离地球更近,更合适人类探测。
那么,在3个类地行星里面,人类为何选了火星?
太阳系八大行星。图|人民视觉
先说说水星。
第一,探测难度太大。
所有朝太阳系中心飞的探测器,城市遭到太阳引力而做加速运动。水星是最靠近太阳的行星,并且其量量仅为地球的5%摆布,引力很小,使得高速运动的探测器很难被它的引力所捕捉,稍有失慎就会一头扎向太阳。并且,调整轨道所需时间很长、风险很大。
第二,水星更靠近太阳。
探测器到了水星附近,要面对高温的挑战和高能辐射的干扰,设想造造要求十分苛刻。
第三,性价比低。
通过对“水手10号”(第一个拜访水星的的探测器,美国1973年发射)发还的数据停止研究,人们发现水星的磁场强度很弱,温差过大(430℃-零下180℃),大气层过于稀薄,充满了碰击坑,根本属于穷山恶水。花那么多人力物力去探测它,性价比很低。
再来说金星。
金星的体积约为地球的85.5%,量量约为81.5%,两者的大小和量量都相差不多,可能有生命存在,良多人都想象有朝一日人类能移民金星。
现实上,金星的情况比水星还要恶劣:
*高温:金星大气96%以上是二氧化碳,那形成了严峻的温室效应。金星外表均匀温度在460℃以上,以至超越了水星,是太阳系中最热的行星。
*高压:金星外表的大气压是地球的92倍,大要相当于920米深的水压,即便通俗潜艇都无法接受。
*强侵蚀性:金星的地量活动过度活泼,经常有火山发作。大量的硫化物就如许被送上了天空,构成大片的硫酸云层。即便下雨也是硫酸雨。
比力之下,火星的前提就好了良多。
第一,火星上的一日夜是24小时37分钟,自转倾角25.2度,与地球的23.5度十分接近,所以也有季节的瓜代,夏日太阳曲射点附近火星外表温度更高可以到达30℃摆布。
第二,火星间隔地球较近,摸索火星所需的时间少,成本低。
火星间隔地球比来只要5500万公里摆布,单程时间仅需8个月摆布,发射时间窗口26个月一次。且火星上的气压仅为地球的1%摆布,探测器无需在抗压抗侵蚀长进行额外设想,工做时间也要比在金星上长得多。
火星的逃逸速度约5.0千米/秒,远低于地球的11.2千米/秒,大气十分稀薄,间隔太阳更远,那意味着在火星停止航天发射的难度远小于地球。并且,跟火星临近的小行星带蕴涵大量可供开采的矿产资本。
第三,火星上面有水。
火星的两极有庞大的水冰与干冰稠浊的冰盖,地下很可能还有庞大的液态卤水湖。
第四,远古期间火星与地球的天气类似。摸索火星天气变革的原因,对庇护地球天气有重要意义。
因而,操纵火星做为人类摸索深空的跳板十分抱负,它是大气造动等许多新手艺的试验场地。
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火星竞赛
1957年,苏联发射世界上第一颗人造卫星。1959年,苏联又发射了世界上第一个月球探测器“月球1号”。太空竞赛逐步升温,火星摸索迎来了第一个飞腾。
1960年10月10日,苏联起首发射了人类汗青上第一颗火星探测器,紧接着14日发射了第二颗,起头了人类的火星摸索路程。那也是人类第一次测验考试发射行星探测器。然而,那两艘飞船连地球轨道也未抵达。
显然,步子迈得太大了。
1962年的火星发射窗口,苏连接连发射了三个火星探测器,又全数失败了。那似乎开启了苏联人的火星魔咒。与苏联金星探测的灿烂比拟,火星探测似乎成为一道无法超越的难关。
此时美国末于起头动作了。它的火星探测起源于“水手方案(Mariner)”——目标在于摸索类地行星。
苏联开局不顺,美国也同样不利。1964年11月,美国发射的首个火星探测器“水手3号”在星箭别离阶段失败。在那种情况下,它的姊妹船“水手4号”顶着庞大的压力于11月28日发射胜利,并于1965年7月15日从火星上空1万千米处擦过,成为人类有史以来第一个胜利抵达火星的探测器。
通过对“水手4号”发还的数据和照片停止阐发,科学家发现火星外表有良多碰击坑,不太像有复杂地量运动和类似地球天气前提的样子。火星大气密度远比此前人们认为的稀薄,也没有探测到磁场。那些新数据促使天文学家修改后续的火星研究设想,也显示火星上存在生物的可能性比先前预测的还低。
1969年,美国又胜利发射了“水手6号”和“水手7号”,进一步探测确认火星极其冰冷,几乎没有磁场,气压极低,大气成分也次要是二氧化碳。那清晰地表白,火星是一个蛮荒之地,不太可能存在生命。人们关于火星人的梦想就此幻灭。
此次结合飞掠动作所获得的数据和材料,为后面两艘“海盗号”(Vikings)着陆火星开拓了道路。
更重要的是,那一项目施行时,美国仍处于行星际探测手艺开展的早期,那两艘飞船的胜利锤炼了美国的相关工程学手艺,为后续的行星际飞翔使命打下了坚实根底。
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竞赛白热化
时间进入到20世纪70年代,竞赛晋级。美苏已经不单单满足于擦过火星,而是要环绕,要登岸!
1971年是人类探测火星史上最忙碌的一年,美苏共计发射了5个探测器。
1971年5月9日美国“水手8号”动身,然而仅数分钟后就坠毁于大西洋。一天后,苏联的“宇宙419号”也遭此厄运。
但是,美国5月30日发射的“水手9号”获得了空前的胜利,成为了第一个环绕火星的探测器!也是人类第一个环绕其他行星的探测器!
只是,“水手9号”抵达火星时,其外表正在发作全球性沙尘暴。所幸它等了一年,胜利熬了过去。比拟前辈,它的成就惊人。它拍下了7000多张火星照片,发现了水手号大峡谷和太阳系更高峰奥林匹斯山(另一说是灶神星的雷亚西尔维亚峰)。
此外,“水手9号”还拍下了大量的火星外表细节特征,包罗河床、碰击坑、山水、峡谷等地貌特征。那些地貌的存在,意味着火星上曾经发作过大规模的地量运动。
在1971年的窗口期,除了失败的“宇宙419号”外,苏联还发射了“火星2号”和“火星3号”。那两艘都是全新的轨道飞翔器+登岸器的组合飞船,登岸器以至还照顾了一个小型火星车。
在太空竞赛初期不断连结领先的苏联刚刚在登月竞赛中输给了美国,毫无疑问,全新的探测器表示出了苏联誓要压美国一头的决心。5月19日和5月28日,“火星2号”和“火星3号”顺利升空,苏联已经为梦想中的成功做好了双保险。
此次,幸运女神似乎末于眷顾了苏联,11月27日、12月2日,“火星2号”和“火星3号”相继抵达火星。然而,他们和“水手9号”一样,遭遇了火星沙尘暴。
“火星2号”着陆器在着陆过程中失联,坠毁于火星外表,成为有史以来第一个“硬着陆”的火星探测器。而“火星3号”着陆器则末于实现了软着陆的梦想。然而它着陆后仅约100秒后就失联,只发还了半张照片,几乎没有获得任何科研功效。
而两个轨道飞翔器则持续工做到了1972年9月,因为沙尘暴迟迟不散,最重要的用光学设备绘造火星全图的工做迟迟无法停止。比拟“水手9号”,苏联的两个探测器并没有亮点。
1973年,不甘愿宁可的苏联罢休一搏,在短短20天内持续发射了“火星4号”到“火星7号”4个探测器。此中6号和7号方案继续向登岸火星挑战。可惜都没有圆满完成使命,独一的亮点是,5号围绕火星工做了9天,随即失去联络。
一次次失败,极大冲击了苏联人对火星的大志。而此时美国“海盗1号”和“海盗2号”横空出生避世,为70年代火星竞赛画上了句号。
与苏联的“火星2号”和“火星3号”类似,“海盗1号”和“海盗2号”都包罗一个在轨飞翔器和一个着陆器。它们别离于1976年6月19日和8月7日先后抵达火星。一个月后,轨道器和着陆器才择机别离。7月20日和9月3日,“海盗1号”和“海盗2号”别离胜利着陆!
与前者比拟,那两个着陆器初次利用了核动力。多亏了核电池,两兄弟别离一般工做了2306和1316个地球日。该纪录曲到2010年5月19日才由“机遇号”突破。海盗方案也成为了有史以来最为胜利的火星探测方案之一。
着陆器使命的次要科学目的是寻找生物迹象信息,察看火星气象学、地震学和磁学的性量。它们还发还了火星地表周景全彩图。遗憾的是,两个着陆器并未给出间接证据,证明火星外表存在有机物。
海盗方案完毕后,美国根本锁定胜局,同时也因为资金缺乏,短期经济效益其实不明显,耗资庞大的火星探测项目逐步被砍掉。从各类研究成果来看,火星似乎没有生命存在的可能,进一步验证的难度颇大,投入与产出严峻不成比例。自此20年间,美国再也没有踏足火星。
履历1973年的惨败后,苏联曾一度放弃摸索火星。
厉兵秣马15年,1988年7月7日和12日,以火卫一名字定名的“福波斯1号”和她的姊妹船“福波斯2号”踏上去往火星的征程。前者在9月2日失联;后者胜利抵达火星,但在进入环火轨道后突然失联。福波斯方案是苏联航天最初的灿烂。
失去合作敌手的美国也逐步失去了继续探测火星的动力,大部门的精神和重心都转移到了航天飞机研造和空间站建立,80年代的火星摸索显得荒凉而落寞。
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重启方案
20世纪末,美国成立了航天手艺的绝对优势,新一代科学家走向深空的设法越来越强烈。
1992年,美国从头开启火星摸索。9月25日,“火星察看者号”(Mars Observer)胜利发射,筹办对火星的大气、地表、重力场和磁场停止全方位研究。然而次年8月21日马上要抵达时,它与地球失去了联络。
虽然开局倒霉,但正如苏联和美国早期的火星探测器一样,“火星察看者号”却开启了一个崭新的时代——一个新的火星探测海潮!
NASA推出了一个新的替代计划——“火星全球勘探者”(Mars Global Surveyor),1996年11月7日胜利升空并于次年9月12日顺利进入火星轨道。
此次使命还试验了难度极高的“空气刹车”变轨。变轨持续了两年多,胜利把探测器的轨道逐渐调整为378千米高的圆形轨道。
“火星全球勘探者”在轨工做6年,初次拍下火星的明晰全貌,绘造了史无前例分辩率的火星全球地图,摸索了火星的天气变革,以至还发现了龙卷风!2006年11月,在超期退役5年多后,它最末失去了与地球的联络。
美国还于1996年12月4日发射了“火星探路者号”(Mars Pathfinder)。此次使命测试了新的火星着陆手艺(火箭反推和气囊弹跳减速连系),为将来大型火星车着陆供给了手艺参考,同时释放了人类送往火星的第一部火星车“旅居者号”(Sojourner)!固然仅挪动了约100米,但从此人类的研究平台末于动了起来!
赶在1996年发射窗口的还有俄罗斯。然而“火星96”使命延续了苏联期间的梦魇——刚抵达近地轨道策动机就呈现了毛病,不久就在大气层坠落焚毁。此次失败极大冲击了俄罗斯的积极性,间接招致“火星98”被无期限推延,从此俄罗斯持久分开了与美国合作的舞台。
1998年12月11日发射的“火星天气卫星”(Mars Climate Orbiter)和1999年1月3日发射的“火星极地登岸者”(Mars Polar Lander)全数失败。日本的“希望号”也是亚洲首个火星探测器也因入轨失败完毕了任务。
20世纪最初几年的火星探测都以失败了结,但频频履历的飞腾和低谷,让人类储蓄了充沛的手艺。
早期火星摸索中,问题大都出在不靠谱的运载火箭上,良多连近地轨道都没有抵达就失败了。70年代后,大都是在去往火星的路上或者进入环火轨道后失联,那能够归结为电子设备(出格是控造系统和电脑)的不成靠。
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又一个顶峰
新世纪的第一个火星摸索使命以履历严重挫折后兴起的英雄奥德赛定名,人们希望火星摸索在遭遇90年代末的严重挫折后能有所打破。
2001年4月7日发射后,不负寡望的“奥德赛号”胜利进入环火轨道,不只在火星上发现了水存在的普遍线索,还初次在火星地下发现了氢元素。
不外,“奥德赛号”最重要的任务是做为将来空中着陆器和火星车的信号中继站,对之后几次重要火星登岸的胜利起到了严重感化。那艘探测器至今仍在环绕着火星停止科学探测,是目前为行所有的火星探测器里最超长待机的一个。
2003年,迎来了3个火星探测器,此中就包罗欧空局的“火星快车号”(Mars Express)和其搭载的“小猎犬2号”(Beagle II)着陆器。它于6月2日发射,并胜利抵达火星轨道,初次测验考试即胜利。固然“小猎犬2号”着陆后失联了,但丝毫无妨碍“火星快车号”一路开挂的科学发现。
此次使命更大的功效就是水的发现,火星南北两极的水冰总量以至超越了格陵兰岛。还在火星南极发现了疑似地下湖的证据。
美国在那个赛季成就灿烂。
NASA正式立项了火星探测遨游者项目(Mars Exploration Rover),大名鼎鼎的“勇气号”和“机遇号”应运而生。它们别离在2003年6月10日和7月7日顺利升空,并于次年1月先后抵达。它们都接纳了跟“探路者号”不异的反推火箭和气囊庇护相连系的着陆体例。
那两辆火星车高1.5米,宽2.3米,长1.6米,有6个轮子,与“旅居者号”比拟能够算得上是庞然大物。抵达火星后,它们获得了海量的科研功效。印证了火星土壤中没有有机物存在的证据,也根本印证了火星在远古期间拥有温暖湿润情况的料想。
两辆火星车本来的设想寿命只要90天,科学家认为超期后尘土就会笼盖在太阳能电池板上招致无法工做。谁也没想到,火星上的大风时不时地帮手吹去尘土,让它们工做了好多年。
“勇气号”不断对峙到2011年3月22日才完毕使命。受沙尘暴影响,“机遇号”自2018年6月10日起中断和地球的通信,进入低电量休眠形态。2019年2月13日,因为始末无法获得联络,NASA正式颁布发表完毕“机遇号”的任务。它创下了人类在外星球上的最长行进纪录——45.16千米!如许一个原方案90天的使命,持续了15年,末于华美谢幕。
2005年,美国又发射了“火星侦查轨道器”(Mars Reconnaissance Orbiter),以史无前例的分辩率对火星停止详细考察,并为往后的使命寻找合适的登岸地点,同时为那些使命供给高速的通信功用。它摄影的更高分辩率能够到达0.3米,能够与军事侦查卫星媲美。目前它仍在工做,估计能工做至2030年。
2007年,“凤凰号”(Phoenix)顺利升空,目的火星北极,使命是探寻地下水。其名字是为了填补1999年“火星极地登岸者号”的失败。公然,“凤凰号”很快就在着陆区一带的土壤下挖出了水冰,堪称“火星有水”的一记实锤。
6
进入新世纪
连续不断的胜利极大鼓励了科学家们,他们迫不及待地起头动手造造更大更复杂的火星车。
2011年,美国发射了其时人类更先进、最高贵,也是最重的火星车——“猎奇号”(Curiosity),来寻找火星曾经存在生命的证据。
它有2.9米长,2.7米宽,2.2米高,是“勇气号”和“机遇号”体积的2倍多,重量的5倍。那意味着它可以照顾更多设备,灵活才能大幅增加。它还利用了核电池做为动力能源,相较于利用太阳能,能更好地停止全天候活动。
此外,“猎奇号”还装备了复杂的化学相机,包罗激光诱导击穿器和长途显微镜。在工做中,“猎奇号”只要瞄准一块研究区域,激光器就可发射激光脉冲将岩石完全气化成等离子体。长途显微镜能够实现从红外线到紫外线之间6000多个波段的全面化学阐发,岩石成分一目了然。
为了让那辆史无前例的火星车下降,美国初次启用了空中吊车手艺——那是人类现今能掌握的更具科幻色彩的手艺之一。
2013年,“猎奇号”发现火星土壤的水分含量高达1.5%-3%,完全能够满足将来人类移民的需要。2014年“猎奇号”又在火星岩石中发现了有机物,那让各人相信我们正在接近火星生命的本相。
那一年,美国发射了MAVEN(Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission),填补对火星大气全方位研究的空白,弄清晰是什么原因让火星大气演化得如斯稀薄与枯燥。那关于人类将来革新火星天气情况很有意义。
科学家按照数据做出揣度:跟着其内部核心的冷却,火星不再能产生类似地球的磁场,从而招致太阳风当者披靡,剥离了火星大气。那是一个不成逆的成果,而且火星正在逐步变冷。目前MAVEN仍在工做,做为信号中继站,为火星车办事。
同年,印度首个火星探测器“曼加里安号”胜利抵达火星轨道,成为首个初度探测便胜利的国度。
俄罗斯,天不遂人愿。
2011年,俄罗斯也方案了一个超等火星摸索项目——发射“福波斯-土壤号”探测器登岸火卫一,取样并返回,而且还将在火星轨道上释放中国首个火星探测器“萤火1号”。
然而,探测器在抵达近地轨道后变轨失败,不久后坠入地球大气层。过后查明变轨失败原因是探测器芯片遭到宇宙高能粒子冲击而失效。
亚洲第二个、中国第一个火星探测使命失败。搭乘俄罗斯火箭的原因是因为其时中国深空通信收集尚未建成,缺乏深空探测使命经历,与俄罗斯合做能将风险和成本降到更低。
在美国探测火星的高光时刻,欧洲也想填补火星探测的空缺,ExoMars(Exobiology on Mars)项目应运而生。其最次要目的是探测火星上能否存在生命,方案从大气、地表、地劣等方面全方位解析,原来是跟NASA合做的,但因为资金问题两边各奔前程。
那时,已经与欧洲在火星快车项目上合做过的俄罗斯伸来了橄榄枝,两边一拍即合。2016年“火星微量气体使命卫星”胜利发射,还照顾了一个着陆器。探测器胜利围绕火星工做,着陆器却在登岸前最初50秒突然发作毛病,最末坠毁。
为了填补地下探测那块空白,NASA的“洞察号”(Insight)应运而生,为了降低成本和风险,其利用了与“凤凰号”不异的设想和手艺。
2018年5月5日,“洞察号”顺利升空并于昔时11月26日胜利下降在火星外表。它装备了更先进的火星地震仪和热流侦测器,可以钻入地下5米深切探测火星内部情况。目前火震仪已经不雅测到数百次差别震级的火星震动。
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崭新的“飞翔”时代
2020年,除了欧空局和俄罗斯合做的的ExoMars二期项目推延外,阿联酋的“希望号”、美国的“毅力号”(Perseverance)以及中国的“天问一号”已相继抵达火星。
“毅力号”的设想造造是以“猎奇号”为根底,与其很类似,但颠末了晋级改良,重达1吨,是有史以来最重更大的火星探测器,所以其下降再次启用了空中吊车手艺那种黑科技。
比拟于“猎奇号”专注于阐发火星土壤和岩石的构成,“毅力号”专注于寻找生命的陈迹。
此外,在晋级“猎奇号”相关手艺的根底上,“毅力号”还创下了两个“人类初次”。
第一,它装备了一套造氧安装,能够间接将火星大气中的二氧化碳转化为氧气。那关于将来人类登岸火星甚至移民的重要性不问可知。虽然每小时只能造备10克氧气,但那就是个不折不扣的创举!
第二,它还照顾了一架名为“机智号”的小型曲升机,并胜利起飞。
虽然“机智号”第一次飞翔只飞了3米高,悬停30秒,但那是一个不折不扣的奇观!那是人类造造的飞翔器初次在外星球胜利起飞,堪比莱特兄弟的首飞,具有里程碑式的意义!人类深空探测进入崭新的“飞翔”时代。
关于“天问一号”来说,固然是后来者,但起点却相当高,也是环绕器+火星车的组合,一步就逾越了美国几十年的旅程,间接释放了“祝融号”火星车停止地表巡视,中国成为“绕落巡”三项使命第一次停止即全数胜利完成的首个国度,也是继美国后第二个胜利登岸火星的国度!
2021年7月5日,上海天文馆”祝融号“火星车模子。图|视觉中国
我国的此次火星探测使命早于2016年立项,方案通过一次使命实现火星环绕、着陆和巡视,对火星停止全球性、综合性的探测。对此使命我国步步为营,从不攀比冒进。
虽然比来20年间胜利率很高,但火星探测历来都不是一件容易的事。“天问一号”环绕火星,“祝融号”着陆火星,不只是中国航天工程使命难度的新打破,更是我国在行星科学范畴史无前例的打破,给中国带来了火星的第一手材料。
中国火星探测首席科学家万卫星院士2019年的一篇文章中谈到:“若是说第一次热潮的主题是探测竞赛,比的是谁先跑得最快。那么第二次热潮的主题应是科学竞赛,比的是谁先看得最深。”
从最原始的用眼睛看到目前在火星外表飞翔,挫折与胜利并存,人类的火星摸索一步一个脚印向前稳步迈进着。虽然过去60年人类的成就斐然,但在很大水平上也代表着美苏本国的科技。瞻望新世纪,中国的参加势必会改动火星摸索甚至太空摸索的格局。
祝融号见证了红色星球上美国纪元的完毕和多元合作纪元的起头,将来的20-30年将很出色。当我们抬起头,默默遥望着那颗红色的星球,我们大白那绝不是起点,我们等待的是迈向更远的星辰大海。
参考材料:
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19.墨秋雨,《超人分开氪星,火神回了火星》,南风窗;
20.毛新愿,《人类迈出地球的第一站为什么是火星?》,国度人文汗青;
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22.王爽,《宇宙奥德赛——安步太阳系》,清华大学出书社;
23.毛新愿,《下一站火星》,电子工业出书社。
库叔福利
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