科學(xué)探索：中國首次火星探測任務(wù)已準(zhǔn)備就緒

天問一號火星著陸器和火星車概念圖。
圖源：中國國家航天局
今年7月，一枚寬5米、高57米的火箭即將從我國南部的海南島發(fā)射升空，我國正在低調(diào)地為首次獨立火星之旅做最后的準(zhǔn)備。當(dāng)發(fā)射窗口在7月中旬打開時，我國科學(xué)家將向火星發(fā)射探測器。在古代，這顆行星在天空中的明暗變化和位置移動曾久久困擾著我們的祖先。
這艘航天器名為“天問一號”，這個名字取“探問宇宙真相”之意，它將攜帶13個科學(xué)儀器飛向火星，分別從行星軌道和行星表面對其進(jìn)行檢測?！疤靻栆惶枴睂⒀芯炕鹦堑乃植记闆r，以及火星的自然環(huán)境演變過程和可居住性。這項任務(wù)將由軌道飛行器、著陸器和探測器共同完成，是“中國在首次嘗試中所能做的最雄心勃勃的事情，”喬治華盛頓大學(xué)（George Washington University）的太空政策專家John Logsdon說。
回首過去，并不順利
然而，這個任務(wù)圓滿完成的可能性并不樂觀：到目前為止，人類曾數(shù)十次嘗試發(fā)射航天器進(jìn)入火星環(huán)繞軌道或登陸火星，但只有約一半的任務(wù)成功了。在“高調(diào)”失敗了幾次之后，美國宇航局終于成功部署了5個著陸器、4個探測器和多個軌道飛行器，為科學(xué)家和公眾揭開了火星世界的神秘面紗。但中國在地球之外的太空飛行經(jīng)驗僅限于幾次成功的機(jī)器人探月任務(wù)，以及2011年搭載在俄羅斯“火衛(wèi)一”上的人造衛(wèi)星，而這次任務(wù)也失敗了。


圖源：pixabay
Logsdon表示，重達(dá)5噸的“天問一號”主要面臨兩大風(fēng)險。首先，中國最強(qiáng)大的重型運(yùn)載火箭“長征五號”只發(fā)射過三次，其中2017年那次還失敗了，當(dāng)時火箭起飛后不久就出現(xiàn)了故障。科學(xué)家們花了兩年多的時間解決了長征五號的芯一級發(fā)動機(jī)故障，并在2019年底成功完成了一次飛行。然而，它的過往記錄還是讓看客們感到緊張。
其次，“天問一號”著陸器必須在火星大氣中航行，火星大氣太厚，足以使探測器過熱，但又太薄，不足以使探測器充分減速。航天器的進(jìn)入、降落和著陸需要使用隔熱板、降落傘和反向引擎來減緩下降速度，這種程序設(shè)計與美國早期的任務(wù)類似。然而，當(dāng)飛船離火星地表僅100米時，它就會停下來，拍攝該區(qū)域的快照，并迅速計算出最佳著陸點。然后它將水平移動到該地點上方的中心位置，打開著陸器的四條腿，小心翼翼地著陸。
2019年11月，專家們在河北省測試了這部分著陸程序，此前我國曾在登月任務(wù)中成功使用過這部分程序。外國官員還被邀請到現(xiàn)場觀看測試。那是“天問一號”的最后一次大型公開活動。此后，中國國家航天局（CNSA）一直保持低調(diào)，本次任務(wù)相關(guān)的科學(xué)家拒絕了幾乎所有的采訪。
科技未來，許是機(jī)遇
如果天問一號成功著陸，它的研究可能會從全新角度揭開火星的神秘面紗。例如，其軌道飛行器和火星車都裝備了一個可以繪制火星地表下的地質(zhì)層圖的探地雷達(dá)。軌道飛行器上的雷達(dá)可以“看到”幾千米深的地方，而火星車上的則可以看到較淺的地方，但分辨率只有幾厘米。法國格勒諾布爾行星科學(xué)和天體物理研究所（Institute for Planetary Sciences and Astrophysics of Grenoble）的Wlodek Kofman認(rèn)為：“中國（使用這些雷達(dá)）的主要目的是探索火星表面下的水冰層?！?br> “天問一號”能夠測量火星磁場的能力令亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）的Jim Bell興奮不已。Bell是美國宇航局“毅力號”（Perseverance）火星車主攝像頭的首席研究員。他說，一種普遍的假設(shè)是，這顆紅色星球曾經(jīng)有一個像地球一樣的全球磁場。然而，當(dāng)其相對較小的熔鐵核心冷卻下來時，火星逐漸失去了磁場的保護(hù)，暴露在了太陽風(fēng)和輻射之下，因此大氣層變薄，曾在火星表面流動的水也可能因此而消失。自2014年以來，NASA的火星大氣與揮發(fā)性演化（MAVEN）任務(wù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了足夠的證據(jù)來支持這一假說，但科學(xué)家們希望這個拼圖更完整一點。Bell表示：“天問一號在從不同軌道和地面提供更多證據(jù)方面非常有用。”他希望中國團(tuán)隊能與國際社會分享火星環(huán)境演變的數(shù)據(jù)。


圖源：pixabay
“天問一號”的著陸目標(biāo)在“烏托邦平原（Utopia Planitia）”南部，這是在火星赤道以北25~30度之間的一大片平地。長期以來，地質(zhì)學(xué)家一直懷疑這個地區(qū)被古老的泥石流所覆蓋，這表明該地區(qū)過去曾儲存過水。亞利桑那大學(xué)（University of Arizona）的行星地質(zhì)學(xué)家Alfred McEwen說：“這是一個有趣的地方，可以用來對火星以前的地下可居住性進(jìn)行調(diào)查。”
大國重器，系列首發(fā)
McEwen指出，火星車在地表以下發(fā)現(xiàn)水的機(jī)會可能受到緯度的限制。因為火星車的電力來自太陽能電池板，所以它必須呆在赤道附近。然而大多數(shù)研究人員認(rèn)為，如今火星表面以下的水和冰主要存在于高緯度較冷的地區(qū)。
中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的舒嶸教授表示，天問一號對太陽的依賴迫使我們團(tuán)隊設(shè)計出堅固的儀器。他補(bǔ)充說：“由于我們的探測器沒有使用放射性同位素供能，所有的儀器在靜止?fàn)顟B(tài)下都需要忍受-90℃的低溫，而且它們的工作溫度范圍在-40℃到-30℃之間?！?br> 探測器的有效負(fù)載之一是火星表面成分探測儀（MarSCoDe），舒嶸教授領(lǐng)導(dǎo)了它的設(shè)計過程。與美國宇航局“好奇號”（Curiosity）探測器上的“ChemCam”類似，MarSCoDe可以發(fā)射短激光脈沖，在幾米外蒸發(fā)巖石表面。然后該儀器將“聞”出這些微型爆炸產(chǎn)生的電離氣體，以確定巖石中化學(xué)元素的類型和數(shù)量。
天問一號預(yù)計將于2021年2月抵達(dá)火星。它將在停泊軌道上停留約兩個月，等待最佳著陸時機(jī)和地面條件。我國將通過不斷擴(kuò)大的射電望遠(yuǎn)鏡跟蹤和接收站網(wǎng)絡(luò)維持地球和探測器之間的通信。
我國科學(xué)家已經(jīng)在為“天問”系列的更多任務(wù)做準(zhǔn)備，包括從火星和一顆小行星帶回巖石樣本、飛越木星、探索太陽廣闊的日球圈邊緣。Logsdon表示，如果天問一號按計劃到達(dá)火星，“它將把中國的太空探索事業(yè)推向一個新高度?！?br> 關(guān)于作者
Ling Xin
物理學(xué)、天文學(xué)、航天和相關(guān)領(lǐng)域
翻譯：張玉
審校：施懌
引進(jìn)來源：科學(xué)美國人
引進(jìn)鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/chinese-spacecraft-poised-for-first-mars-mission1/


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