“天问一号”发射升空!一起来探索火星的奥秘

来源:科普融合创作发布时间:2020-07-27

关于火星探测,你需要知道的都在这里。

23日12时41分,中国首个火星探测器“天问一号”搭乘长征五号遥四运载火箭,在中国海南文昌航天发射场发射升空。作为国首次执行火星探测任务,“天问一号”的任务目标是通过一次发射,实现火星环绕、着陆和巡视探测,获取火星探测科学数据。根据计划,经过约200天的飞行后,探测器将抵达火星轨道,于2021年2月11-24日环绕火星运行,并于2021年4月23日降落一台火星车到火星表面,进行时长90个火星日的探索工作。

通常来说,火星探测有三种方式:在轨道上绕火星飞行进行较远距离探测的环绕器,降落到火星表面,原地进行探测和实验的着陆器,以及能在火星上运动的巡视器(火星车)。而我国计划在首次火星探测项目中一次性实现“绕”、“落”、“巡”三大任务,这在世界航天史上还没有过先例。

在此次火星探测任务中,“天问一号”将完成哪些任务?有望在哪些领域为我们带来全新的发现?目前我们对火星的了解又到了什么程度?在“天问一号”抵达火星之前,先来了解一些基本信息吧。

“天问一号”的多项任务

火星是太阳系中与地球环境最为相似的行星,了解火星对研究地球早期历史和生命起源有着重要价值,也对人类拓展生存空间具有重要意义。如果“天问一号”探测任务成功完成,将为我们提供关于火星的大量全新信息。

例如,为了绘制火星的地质结构图,环绕器和火星车都配备了探地雷达。环绕器上的雷达可以“看透”几千米深的地层,而火星车上的雷达虽然看不到这么深,但分辨率却能达到厘米级。这或许能帮助我们了解火星地表以下的水冰分布。

而“天问一号”另一项激动人心的任务,是探测火星的磁场。目前有理论认为,火星曾拥有和地球类似的磁场。然而随着火星内核中熔融的铁逐渐冷却,它的磁场也逐渐减弱甚至消失。失去了地磁场的火星被暴露于太阳风和辐射下,并导致其失去了地表水和大气。火星的磁场究竟发生过怎样的变化?“天问一号”环绕器与火星车将为我们提供更多的证据。

除此之外,环绕器和火星车还将搭载矿物光谱仪、高能粒子分析仪、激光击穿光谱仪等多种仪器。这些设备将帮助远在地球的科学家研究火星岩石、土壤和大气的成分,更好地了解火星环境。

“天问一号”火星车的设计寿命为90个火星日(一火星日约为24小时40分钟)。这将成为中国航天者向太空发问的第一步,也是中国航天走向深空的里程碑。

 

  “天问一号”着陆器及巡视器(图片来源:CNSA)

关于火星,我们了解多少?

近些年来,一些欧美国家的火星探测器取得了一些重要的发现,也提出了更多关于火星的疑问。我们期待着,即将抵达火星的“天问一号”将揭开其中部分问题的真相。

火星上有生命吗

火星上存在生命吗?如果说目前火星严酷的条件似乎难以支持生命活动,但多项研究已经证实,早期的火星曾有大量液态水,甚至10亿年前火星表面可能仍有河流,那么火星上曾经有过生命吗?对此,科学界目前还没有明确的答案。不过,在近期的研究中,“好奇”号还是发现了一些可能与生命有关的迹象。

2018年,“好奇”号的两项研究同时登上《科学》杂志。其中一篇,“好奇”号在火星地表具有30亿年历史的沉积岩中,发现了一些稳定的有机分子。这些有机分子包含碳元素和氢元素,同时可能含有氧、氮等其他元素。不过,有机分子虽然与生命联系紧密,但它们也可能由非生物反应过程产生,因此不能作为证实火星生命的确凿证据。另一篇论文则是发现了火星大气中甲烷含量的周期性变化。同样,这些信号可能来自生物反应,但更大的可能性是水和岩石的化学反应。因此,火星生命的答案,仍需等待今后的火星车探测。

火星上有多少水

火星生命的疑问悬而未决,但作为维系生命的基本元素——液态水,已经有了初步的答案。在2018年,《科学》杂志的一篇论文给出了火星存在液态湖泊的证据。利用欧洲航天局“火星快车”号探测器搭载的MARSIS雷达系统,意大利科学家在火星南极1.5千米厚的冰盖下首次发现大面积液态水。这是一片至少有数米深、直径约20千米的湖泊。尽管高盐度让这个直径达20千米的湖泊很难成为常见生命的摇篮,但研究人员认为,在火星的其他区域,还有可能存在更多地下液态水。这项研究也为进一步的火星生命搜寻提供了线索。

来源:欧洲航天局

除此之外,火星勘测轨道飞行器(MRO)也在更早的时候也通过高分辨率的拍摄,观测到了火星温暖的陡坡上的深色条纹(季节性斜坡线),研究人员认为这种特征性的图案是盐水流过的证据,这样的条件也为微生物的生存提供了可能。不过这项证据仍有争议,2017年也有研究提出了不同的观点:季节性斜坡线可能只是火星流沙的产物。

火星的大气去哪了

早期的火星曾是一颗有着广阔海洋和浓厚大气层的温润星球,但在漫长的演化过程中,火星的大气层几乎消失,失去大气层保护的火星也变得干燥、严寒。那么,火星的大气究竟去哪了?

2013年,NASA发射了火星大气与挥发物演化任务(MAVEN)探测器。MAVEN探测器通过对火星大气与磁场的探测,发现了一些线索。研究发现,火星大气正以两种主要途径向太空逃逸。一种是离子逃逸,即太阳风吹向火星大气时,其中的带电粒子与大气中的分子碰撞,使得气体分子丢失电子,在太阳风带来的电场加速作用下逃逸。另一种逃逸方式是喷溅逃逸:在太阳风中高能粒子的撞击下,高层大气中的气体分子四处飞溅,其中一部分在这一过程中获取了足够的动能,逃脱火星的束缚。在太阳的生命早期,太阳风暴的频率和强度都远高于现在,星较弱的磁场也不足以对大气层构成有效保护。因此在两种机制的共同作用下,火星的海洋与大气层消失了。

火星上的“地震”活动是什么样的 

图片来源:NASA/JPL-Caltech

如果说之前的一系列探测器让我们了解了火星大气层、地表的一系列信息,那么2018年登陆的“洞察”号火星探测器则是首次窥视火星的内部结构。2019年4月,“洞察”号首次监测到了一次“很可能是火星震的活动”。如果得到证实,这将是人类首次观测到火星震。而截至2019年10月,“洞察”号已经捕捉到超过100次震动,其中21次极可能是“火星震”。目前,NASA科学家正在分析震动的原因。基于“洞察”号的这些研究不仅开启了“火星震学”这个全新的领域,还将帮忙我们重新认识火星的形成与演化。

“天问一号”将如何前往火星?

“天问一号”的火星之旅,将面临着很大的挑战。难度首先存在于在地火距离遥远以及对火星环境的不了解上。相比地月距离,地球与火星的距离非常遥远,最远时约为4亿千米,最近时也有约5600万千米。以我国这次将要发射的火星探测器为例,需要飞行200多天才能到达遥远的火星。这带来的首个挑战,就是在携带燃料有限的情况下,探测器如何能够飞越如此遥远的距离,这就需要研究者对探测器飞行轨道进行精密的设计。

火星探测器飞行效果图。图片来源:国家航天局

根据计划,火星探测器会按照“霍曼转移轨道”飞行。在“天问一号”火星探测器发射升空后,会先在地球附近加速,进入霍曼转移轨道利用惯性保持飞行,惯性飞行过程中不需要消耗燃料。等到达火星轨道时,探测器会“刹车”降低速度,最终被火星捕获。这就是本次火星探测任务第一阶段的目标:环绕火星飞行。

图片来源:国家航天局新闻宣传中心

若想成功进入霍曼转移轨道,对火箭的运载能力和入轨精度有很高的要求。月球探测器进入地月转移轨道所需的速度是10.9km/s,而火星探测器进入霍曼转移轨道的速度至少要达到第二宇宙速度(11.2km/s)。因此,这次发射任务使用了新一代运载火箭中推力最大的“胖五”——长征五号运载火箭。在成功进入太空后,整流罩中的火星探测器会与火箭“星箭分离”,独自飞向火星,这段旅程大概需要6~7个月。如果一切顺利,探测器预计于明年2月左右到达火星引力势场内,切入火星轨道,被火星捕获。这个捕获的阶段非常关键:在切入火星轨道时,如果切入点离火星太近,探测器可能会坠毁;如果太远,探测器可能无法被引力捕获而掠过火星。

若能成功切入火星轨道,再经过多次调整,环绕器就可以进行环绕探测了。这时我们将迎来本次火星探测任务的第二个阶段,也是最大的难点——火星着陆。火星探测器需要将4.8km/s的超高速,减到火星着陆时的0,这个过程只有7分钟左右,也被称为“恐怖7分钟”。着陆器何时开始减速进入火星大气、进入的姿态、进入的角度都需要精准的控制,然而问题在于,我们对于火星上的环境,尤其是大气状况的了解非常有限。再加上地火距离遥远,从地球发送到火星的单程无线电信号,单程延时为20分钟左右,难以依靠地球指挥着陆。

“天问一号”任务计划采用的减速方式将分为四个阶段进行。第一个阶段是气动减速段,探测器会踩下“急刹车”,在大约290秒内将速度从4.8 km/s迅速降低到460 m/s。接下来探测器将打开降落伞,在大约90秒后,速度会降到约95 m/s。随后进入第三个阶段——动力减速段,探测器的反推发动机开始工作,在80秒内将速度降到3.6 m/s以下。当探测器距离火星表面约100 m高时,就进入了最后的着陆缓冲段,探测器准备开始悬停避障。此时探测器的速度已经很慢了,探测器会自主观察火星表面,快速计算出最佳着陆点。最终它将水平移动到该点上方,伸出“四条腿”,并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。

原标题:“天问一号”发射升空!关于火星探测,你需要知道的都在这里

版权信息