来自地球的访客齐聚“红色星球”，世界航天迎来热闹的火星月

#中美阿三国火星探测器各有啥看点# #天问一号胜利施行火星捕捉#

@稀星天外不清晰世界列国间能否实的存在着所谓的 “火星竞赛”，但是本年2月，火星迎来了有史以来最热闹的一个月。有三个来自差别国度的航天器将会拜访那颗“红色星球”，并将各自的邦家之光依靠在他们探测使命的胜利上。更先抵达的是一个太空摸索新人，阿拉伯结合酋长国将把本身的“希望（Al Amal）”号探测器置于环绕火星飞翔的轨道上；最初抵达的则是太空摸索的一名老兵，美国将把“毅力（Perseverance）”号火星车送上火星外表；而我国的“天问一号”则将两者兼具，先在2月进入绕火星轨道，然后再在本年5至6月择机登岸。照顾了一架小型曲升机的美国人还将在火星上放飞人类造造的第一个火星飞翔器。

为什么是火星虽然火星在近地行星中具有最类似地球外表的天然前提，但是该“更佳地球模拟奖”获得者关于生命仍然很不友好的。大气十分稀薄，且次要成分是不克不及呼吸的二氧化碳；晚上的气温会降至零下100°C；沙尘暴很遍及。人类必需穿戴密封的轮回生命撑持系统才气在火星外表行走。但是，火星如今恶劣的天然情况并非与生俱来的。科学家们相信火星在汗青上曾经比如今温暖许多，大气也更浓密，并有液态水存在。在阿谁时候，生命可能存在过，并生活在火星外表。曲至今日，一些适应力极强的简单生命可能仍然生活在火星上前提答应的处所。若是火星上曾经发作过生命进化，然后灭绝，那么它们的化石记录可能会保留在史前海洋曾经存在的处所。

在火星前提适宜的处所，可能还存在着一些简单的生命形式

然而我们当前的火星探测使命难以提醒火星生命的存在，因为人类迄今为行的火星使命仍然集中在从轨道上操纵差别波长的雷达绘造火星地图，只要十分小的一部门火星外表曾经被火星遨游车探测过。

寻找火星生命化石将对我们关于太阳系中生命若何演化的理论以及揣度宇宙中其他处所生命存在的可能性产生深远的影响。那也可能最末让人类认实考虑将火星做为我们将来的第二定居星球。一起头，人类的拜访可能很短暂，但是火星的地下水冰和太阳能资本能够撑持人类的持久栖身。 那可能要求对火星停止地球化工程或“火星天气革新”，需要加强的行星际运输根底设备建立，以及比今天更多的能源。 埃隆·马斯克的火星公民之梦也许还要一段时间才气实现永久……但是希望他可以不改初心，继续造造和测试“星舰”火箭！

持久的火星移民需要对火星的大气停止革新，以合适人类保存。那将是一个持久的过程。

若何探测火星为什么火箭对我们的火星摸索至关重要？ 火箭能够让我们在地球和火星的轨道之间来回穿越游览。与从空中抵达地球轨道比拟，前去火星所需的能量大约要多1/3。局限于目前的手艺，关于火星的摸索被限造在每两年一次地火彼此接近的短暂“窗口”时间。那时前去火星所需能源起码，飞翔时间最短。

航天器抵达火星后，能够像早期的探测器一样做短暂的飞掠，拍摄一些“到此一游”的照片或视频；也能够进入火星系统，环绕其展开更长时间的研究工做，以至登上火星外表。因为火星的公转速度比地球绕太阳运行的速度慢得多，因而当航天器抵达火星时要用火箭对其停止减速。 若是航天器需要下降在火星外表，则需要火箭施行进一步的灵活和造动。

迄今为行人类的火星探测活动一览

自1960年10月以来，世界列国共倡议了差不多50个以火星为目的的使命，此中包罗了轨道飞翔器和着陆器。不幸的是，只要约50％的着陆器获得胜利：苏联的“火星3号”在1971年着陆后两分钟就永久失联，而英国的“比格犬2号（Beagel-2）”则在2005年着陆时失去联络（2015年它被发现无缺无损地待在火星外表）。胜利率偏低的部门原因是火星的大气层十分稀薄使着陆器不克不及像在浓密的地球大气层内那样用下降伞实现减速下降。那会大大增加下降的复杂性和风险（拜见@稀星天外之前的文章《登岸火星？可没那么容易 》）。

第一位访客：阿联酋的“希望”号火星探测器本年首个拜访火星的航天器并非来自某个航天大国，而是中东石油金主国阿联酋开发的“希望”号火星探测器。

阿联酋“希望”号火星探测器环绕火星轨道的想象图

在过去的几年中，阿联酋在航天范畴的参与度剧增，高调参与了一系各国际会议和一些备受存眷的结合倡议，好比“阿耳忒弥斯协定”。

在胜利地将三颗地球不雅测卫星送入轨道后，阿联酋启动了“希望”号火星飞翔使命，并在2月9日该国独立50周年之前进入环绕火星轨道。那使得阿联酋在航天科技方面引领了整个阿拉伯世界。 除了使其享有国际声誉外，该使命还旨在激发人们关于太空摸索的兴趣，提拔阿联酋工业界和学术界的才能，以最末开展该国雄心壮志的高科技范畴。

近几年，阿联酋通过国际合做参与航天摸索的力度大大增加了

阿联酋的穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）主导了那项耗资2亿美圆的火星使命开发工做。该航天器是与美国科罗拉多大学博尔德分校的大气和空间物理尝试室（LASP）合做建造的。飞翔器照顾的三台仪器则是由阿联酋科学家和工程师与美国亚利桑那州立大学和加利福尼亚大学伯克利分校合做完成的。那些工做都包罗了手艺让渡，以进步阿联酋本国的研发才能。

“希望”号航天重视1361千克，长2.9米，宽2.4米，由日本三菱重工的H-IIA火箭于格林威治时间2020年7月19日21点58分从日本种子岛航天中心胜利发射上天。随后，使命控造中心按照遥感数据和对地通信确认了飞船胜利地与火箭别离。H-IIA 火箭于2007年实现了运营贸易化，其消费和发射办事从日本航天摸索局转移到了三菱重工。自2003年以来，该火箭已胜利停止了36次发射。

格林威治时间2021年2月9日15点30分，“希望”号点燃了飞船上六台单台推力120牛顿的火箭策动机，起头了历时27分钟的火星轨道注入，并胜利地进入了近地点1000公里，远地点49380公里，公转周期40小时的火星捕捉轨道。整个注入过程在格林威治时间15点57分完毕，用去了飞船上880千克燃猜中的400千克。空中中心在16点08分从头领受到了飞翔器发来的信号。

“希望”号火星使命轨道

之后的三个月内，该飞翔器将把本身的轨道调整为间隔火星外表20000至43000公里的半同步赤道科学轨道，其绕火星公转角速度类似于行星外表的角速度。那将有助于对火星外表区域停止长时间察看，从而对该地域的大气动力学和气象学展开研究。

“希望”号火星探测器的三大使命是：

通过察看行星的底层大气，领会火星的天气变革和全球气候图，解释火星天气是若何通过将低层大气与高层大气彼此感化来影响氢和氧的逃逸，领会高层大气中氢原子和氧原子的构造和差别存在形式，以及它们为何会被火星散发到太空中。

“希望”号探测器上的大型高增益通信天线

由此可见，“希望”号将是第一颗“火星气象卫星”，会告诉我们火星大气的全貌和条理构造。为了实现其次要科学目的，“希望”号照顾了三个次要科学仪器：

起首是阿联酋火星红外光谱仪（EMIRS）。它包罗了一台干预热红外光谱仪用来探查和阐发冰、水蒸气和沙尘在火星底层大气中的散布，以及察看温度形式。该仪器次要具有一个扭转镜片，其空间分辩率为300公里。“希望”号每周可对火星外表停止60次扫描。第二个次要仪器是阿联酋摸索成像仪（EXI）。它包罗了一台多波段相机，通过选择安拆在转轮上的某一个滤光片（三个紫外线和三个可见光波段），可以拍摄火星外表差别波段的高分辩率图像，用于丈量火星上冰、水、气溶胶、沙尘和臭氧的特征。通过基于选择轮的机造产生了大气。相机自己的空间分辩率超越8公里，在全分辩率下更大图像帧速度为每秒180帧。最初一个仪器是远紫外线光谱仪，称为阿联酋火星紫外线光谱仪（EMUS）。该仪器将检测100-170纳米波长范畴内的电磁波，以准确丈量气态氢和氧从火星大气逸入太空的速度。EMUS可以操纵差别的波长分辩率停止察看，从而将“疑似”排放与其他“亮堂”的排放区分隔，并处理一氧化碳的排放问题。“希望”号的电源由两个太阳能电池阵列供给，更大潜在输出功率为600瓦。它还同时通过曲径1.85米高增益和较小的低增益无线电天线停止对地宽带通信（1.6Mbps）。

在推进和灵活性方面，“希望”号利用6台120牛顿推进器和8台5牛顿反响控造系统推进器。六台120牛策动机负责较大的灵活（如火星轨道注入），而八台8牛推进器则停止更精准的姿势微调。“希望”号利用星光导航仪和陀螺仪系统对飞翔停止导航，同时让高增益天线始末指向地球。

阿联酋工程人员正在建造“希望”号火星探测器

目前，“希望”号飞翔使命方案在火星轨道上运行两个火星年（1374地球日）。 像之前停止的大大都火星探测一样，它也有望在其次要使命完毕后继续运行，而且有可能获得超出当前方案的耽误退役期限。

万能型选手：我国的“天问一号”自2019年1月3日以来，中国的“嫦娥四号”着陆器及其“玉兔-2”号遨游车不断在摸索月球的后背。中国国度航天局在月球上展现了世界领先的摸索才能后，将其目光延伸到了火星。而“天问一号”恰是我国“红色星球前驱者”，也是有史以下世界上第一个同时组合了轨道环绕器、着陆器和火星外表遨游车的摸索使命。

“天问一号”是世界上第一个同时组合了轨道环绕器、着陆器和遨游车的火星摸索使命。

天问一号于2021年2月10日19时52分施行近火捕捉造动。轨道飞翔器上推力3000牛的轨控策动机点火工做约15分钟，顺利进入近地点高度约400千米，公转周期约10个地球日，倾角约10º的大椭圆环火星轨道，成为我国第一颗人造火星卫星，实现“绕、落、巡”第一步“绕”的目的。

“天问一号”在进入火星轨道之前传回的火星照片

那颗重达3.2吨，用于阐发火星外表及其太空情况的飞翔器设想寿命为2年，照顾了七种科学仪器：

高分辩率（约1米 ）相机，平分辨率（约100米）相机，与奥天时研究促进局（FFG）合做的火星磁强计，离子和中性粒子阐发仪，高能粒子阐发仪，火星矿物光谱阐发仪，以及探地雷达。之后，“天问一号”着陆器及其遨游车将在火星轨道上停留3到4个月，以便有时间完美最末登岸点的选择。那和上世纪是70年代NASA“海盗”号着陆器所接纳的战略不异。如今已知“天问一号”在1976年“海盗2号（Viking-2）”火星探测器下降的中心位置位于东经115°，北纬45°， 面积达九百万平方公里的乌托邦平原（Utopia Planitia）上选择了两个可能的登岸区域。每个区域为一个长100 公里，宽 40 公里的椭圆。

“天问一号”着陆器算上其搭载的240千克遨游车总重到达1.3吨，将组合利用隔热罩、下降伞和推力7500牛的反冲火箭，降低下降速度，实现软着陆。着陆后，着陆器会放下下降坡道，释放遨游车。遨游车装备了六种用于阐发矿物学和火星大气的科学仪器：

多光谱相机，导航/地形相机，可以对空中以下100米成像的探地雷达，火星外表成分探测仪（类似于NASA“猎奇”号探测器上利用的LIBS），火星外表磁场探测器，以及火星气象丈量仪。探地雷达不只将阐发近火星地表的地量构造，还将搜刮位于地下的集水层。此中，法国供给了激光诱导击穿光谱阐发仪（火星外表成分探测仪）校准安装。该安装和“猎奇”的同类设备不异，目标是允许对那两个探测器的数据集停止严酷的比力。

“天问一号”遨游车的尺寸约为“玉兔”号月球车的两倍，是一款以太阳能为动力，长2米、宽1.65米、高1.85米的六轮车，设想利用寿命为90个火星日（92.5地球日）。

天问一号火星遨游车的大小是玉兔号的2倍，搭载了六种先辈的科学仪器用于火星地量和大气的考察。

2020年7月23日北京时间12点41分，在万寡注目之下，搭载了4.9吨重“天问一号”火星探测器的长征5号火箭在海南文昌升空。长征5号是中国新一代重型运载火箭，可以将25吨有效载荷送入低近地轨道。它的核心段火箭策动机以液氢/液氧为燃料，是第一个不是从洲际弹道导弹手艺衍生而来的火箭。 那也是长征5号火箭的第四次发射。

发射“天问一号”火星探测器上天的长征5号火箭

在前去火星的六个月航程中，“天问一号”利用其器载推进系统停止屡次轨道校正。欧洲航天局（ESA）为飞翔的早期阶段提了飞船跟踪撑持，阿根廷航天局（Conae）通过位于该国的由中国运营的跟踪站为项目供给了跟踪和通信撑持。因而 ，发射“天问一号”飞船的长征5号 火箭整流罩上刻有四个国际合做伙伴，ESA、Conae、CNES（法国）和FFG的徽标。

长征5号火箭整流罩上的四个海外合做伙伴的标记

“天问一号”的名字和“嫦娥”一样，来自中国传统文化，以我国第一位浪漫主义爱国诗人屈原的出名诗篇《天问》为名，诗人在此中提出了包罗宇宙从何而来的哲学问题。 若是遵照我国“月球”探测器的定名政策，我们能够期望跟着使命的停止，别离为轨道飞翔器，着陆器和遨游车指定本身的名称。

瞻望将来，向火星发射单程探测飞船只是一个起头。2020岁尾，嫦娥5号已经完成从月球外表采样并带回地球的使命。我们还有方案在2025年前后从小行星采样带回地球，最初在2030年前从火星外表接纳带回地球。

迟到的强者：美国“毅力”号火星车美国国度航空航天局（NASA）的最新火星探测使命是成立在2011年发射的“猎奇”号火星遨游车使命胜利的根底上。“毅力”号基于和“猎奇”号不异的设想理念，吸收了之前使命的经历教训，也利用了早期使命遗留下的可用零件。成果产生了一辆体积和重量都和一辆小型汽车差不多的火星遨游车，重量略高于1吨。它还将复造“猎奇”号令人叹为不雅行的“空中吊车”下降着陆系统。在次要的高速下降阶段之后，“喷气背包”将通过吊索把遨游车悄悄放到空中上。

2011年NASA发射“猎奇”号火星遨游车时至今日仍在火星上工做。

“猎奇”号和“毅力”号登岸所利用的空中吊车计划

“毅力”号火星车以钚为燃料的放射性同位素热发作器（RTG）供给了使命所需的全数动力，使其可以在火星的日夜瓜代和季节转换中持续运行。

新使命中最有目共睹的方面也许是“猎奇”号的游览同伴，名为“缔造（Ingenuity）”号的火星曲升机。那将是有史以来第一次，在另一个星球的大气层中飞翔曲升机。本次“缔造”号的次要使命固然还只是手艺演示，但它能够为成立一个完全差别的火星摸索办法铺平道路。重量不到2公斤，那是一个相对较轻的无人机。虽然如斯，火星的稀薄大气仍然需要两个曲径1米以相反标的目的扭转的主旋翼。它将在以遨游车为中心的一段间隔内停止一系列简短的测试飞翔，曲到电池电量耗尽。

“缔造"号火星曲升机的计算机合成图

在短期内，无人机能够为遨游车供给道路规划和周边情况侦查等撑持使命。从久远来看，我们可能会起头看到无人机从撑持角色改变为火星摸索的次要角色。若是能够将一吨重的火星车轻柔地摆设到火星外表，那么也能够摆设更大型的火星无人机以充实操纵其空中飞翔的高速性和不需要克制火星地表障碍的优势。将来的火星探测器可能像一个蚂蚱一样，在空中飞翔选定考察地点，然后下降到地表，停止空中探查和研究。完成使命后，再次升空“跳向”下一个考察地点。

“毅力”号的尝试仪器还包罗了NASA和西班牙，法国和挪威合做研发的一系列新产物，包罗空中雷达、各类波长的光学阐发仪和大气传感器。遨游车还照顾了一块之前保留在伦敦天然汗青博物馆中的火星陨石返回火星，用于查抄其本身仪器关于测试目的的响应。该套件还包罗一个用于从火星大气二氧化碳中产生氧气的演示器。那种手艺能够在将来被用于为返回地球的火星飞船供给当地消费的燃料，并为载人火星探测飞翔使命供给生命撑持。

“毅力”号火星遨游车上搭载的各类科学仪器

做为各类光学相机的弥补，“毅力”号还带有麦克风，能够鄙人降过程中以及在摸索火星外表时捕捉声音信号，让我们第一次聆听到来自另一个星球的声音。

该使命胜利于2020年7月30日发射升空，方案于2021年2月18日登岸火星。届时，NASA会用“毅力”号登岸平台上的六台摄像机和一个麦克风全程曲播其下降过程的“恐惧七分钟”。

“毅力”号火星遨游车“恐惧7分钟”的下降全过程

本轮缺席者：欧洲/俄罗斯结合研造的ExoMars欧洲空天局和俄罗斯航天局（Roscosmos）也方案通过ExoMars方案向火星外表发射遨游车。 在英国斯蒂夫尼奇（Stevenage）建造的欧空局“罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）”遨游车，将由俄罗斯航天局的“小哥萨克（Kazachok）”下降系统带到火星外表。

ExoMars项目标火星轨道飞翔器和“罗莎琳德·富兰克林”火星遨游车

一个胜利的火星探测器使命对俄罗斯航天局和欧空局尤其是英国有着严重意义。之前，欧空局着陆土卫六的惠更斯着陆器和停止彗星探测的罗塞塔探测器都获得了庞大的胜利。但ExoMars方案运载了它的第一辆行星外表遨游车。英国希望可以从命运多舛的“比格犬2号”着陆器（也是英国造造的，陪伴着欧空局本来十分胜利的“火星快车”轨道飞翔器）失败中从头兴起。 俄罗斯航天局也将此使命做为俄罗斯重振其航天探测才能的重要时机。暗斗期间，苏联前去火星外表的绝大大都使命都以失败了结。苏联独一一个胜利着陆火星外表的着陆器（1971年的“火星3号”）也在第一张图像起头传输后仅14.5秒失联。

“罗莎琳德·富兰克林”火星遨游车在“小哥萨克（Kazachok）”下降系统之上的计算机合成图

ExoMars飞船原定于2020年夏日发射。不幸的是，因为在下降伞下降系统中的手艺难题无法及时得到处理以赶上时间表。因而，如今估计它将在2022年，下一次火星探测窗口，发射升空。

2021年2月之后阿联酋的“希望”号和中国的“天问一号”探测器在飞行了大约六个月，已经别离在2月9日和2月10日胜利抵达火星，进入了环绕火星的轨道。按照，国度航天局的最新通知布告“天问一号”着陆器将于2021年5、6月间择机登岸火星，并释放火星外表遨游车，实现“绕、落、巡”的后两个目的。而“毅力”号也方案在2月18日停止登岸，并向地球全程曲播触目惊心的下降着陆过程。着陆后，“毅力”号还将收罗火星外表土壤样本，实现美国航空航天局和欧空局将火星土壤送回地球方案的第一步。

火星土壤取样返回过程及其复杂，涉及三个遨游车/着陆器和一个在轨返回器

如斯多的存眷和手艺集中在火星上，本世纪20年代可能是火星摸索的转折点。在火星上施行持续、胜利的轨道飞翔器，着陆器，遨游车和曲升机方案，将使太阳系起头变得小了一点。