2020年將首探火星:中國太空探索走向深空

發佈時間:2019-07-12 07:45:05  |  來源:新京報  |  作者:施韡  |  責任編輯:吳一凡
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近日,媒體記者從中國科學院院士歐陽自遠處獲悉,中國將於2020年探測火星,通過火星衛星、火星著陸器、火星車天地聯合探測火星,目前火星車已經做好。這一消息一經披露,旋即引發了廣泛關注。

2020年是火星探測窗口期

在西方,火星曾被認為是戰神瑪爾斯的化身;在中國,火星因為行蹤不定而被稱為“熒惑”,甚至古書上有“熒惑守心,天責帝君”“熒熒之火,離離亂惑”等描述。總之,自古以來,火星給人神秘、凶險的感覺。

即便在科學層面,火星也曾給人許多困惑。丹麥天文學家第谷·布拉赫的觀測精度達到了1角秒,那是望遠鏡發明前的最高水準,卻發現對火星位置的預報誤差達到了令人難以接受的8角秒,甚至連哥白尼的日心説也因此遭遇巨大挑戰。後來,開普勒提出行星運動軌道應當是橢圓,才讓此問題迎刃而解。

我們目前對火星軌道的了解足以解釋它“鬼魅行蹤”。火星的軌道是個相對較扁的橢圓,偏心率達到0.0934。相較而言,地球軌道偏心率只有0.0167,屬於非常圓的了。因此,火星和地球之間的距離跨度在0.546億公里-4.01億公里之間,就算是兩者接近時距離變化範圍也達到0.55億公里-1.02億公里。

由此,可以推測,我們每次見到火星時,它的個頭時大時小,它的運作速度也時快時慢,確實讓人難以捉摸。此外,火星公轉週期約為687天,接近2個地球的回歸年,這就導致我們不可能每年都能見到火星。具體來説,平均間隔約26個月,火星才會再一次接近地球。難怪古人謂之“惑”。

當你明白了這個道理,也就不難理解為什麼我們要隔一年才能發射一次火星探測器,這就是航太工程上所説的“發射窗口”。

2014年美國航太局的“馬文”號(MAVEN,火星大氣與揮發物演化任務)和印度的“火星飛船”先後到達火星;2016年歐空局ExoMars任務無人探測器抵達火星;2018年美國航太局的“洞察”號探測器成功著陸火星。

你看,是不是每兩年才有一次機會前往火星呢?所以,可以想見,2020年又將是一個“火星大年”,各個航太大國、航太機構都在摩拳擦掌,打算同臺比拼。

目前已知的發射計劃包括美國航太局的“火星2020”火星車(Mars 2020 rover)、歐空局的“羅薩琳·富蘭克林”號火星車(Rosalind Franklin rover)、阿聯酋的“希望”號軌道探測器(Mars Hope orbiter)。2019年1月14日,中國航太局在國新辦舉行的記者會上表示我國首次火星探測任務也將於2020年前後實施。

多國已啟動火星探測計劃

是什麼導致那麼多的探測器都將火星作為“考察目的地”呢?原因很簡單,火星是太陽系中除地球以外“最有希望的”行星。

太陽系是一個大家庭,擁有八大行星,然而只有水星、金星、地球和火星是固態行星,這就淘汰了一半。水星離太陽太近,又無大氣,不適合生存。金星的大氣太過濃密,大氣壓強超過地球90倍,而且充滿CO2、SO2等溫室氣體,不論何時何地表面溫度始終在400℃以上,簡直煉獄一般,這讓它一舉摘得“太陽系最熱行星”稱號。

於是我們發現,火星幾乎是太陽系中最接近地球的行星。火星的自轉週期約為24.6小時,與地球十分接近;自轉軸與公轉軌道面傾角約65°,存在四季變化,這也和地球相似;火星大氣很稀薄,只有地球的1%,雖然表面溫度平均僅為-63℃,但夏天陽光直射區域溫度則可以上升到20℃,赤道附近的極端最高溫度則有機會達到30℃左右!用最簡單的一句話概括:太陽系宜居之所,唯地球與“熒惑”耳。

讓人感到好奇與興奮的,不僅僅是這些數據。近幾年,人類在火星表面及軌道上部署了多個探測器,目前仍在工作的有“好奇”號(Curiosity,2011,美國)和“洞察”號(InSight,2018,美國)兩個陸面探測器,以及“火星奧德賽”號(Mars Odyssey,2001,美國)、“火星快車”號(Mars Express,2003,歐洲)、火星勘測軌道飛行器(Mars Reconnaissance Orbiter,2005,美國)、“火星任務”1號(Mangalyaan,2013,印度)、火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN,2014,美國)、火星微量氣體軌道探測器(ExoMars Trace Gas Orbiter,2016,歐洲&俄羅斯)等6個軌道器,可以對火星開展24小時全天候不間斷地觀測。火星已經成為地球以外擁有在軌衛星最多的星球了。

通過這些探測器,我們推測出40億年前火星上曾經有大片海洋與大河,我們發現了火星地下鹽水湖,我們觀察到火星表面可疑的液體季節性流動特徵,我們偵測到火星大氣中不明原因的甲烷含量激增現象……所知越多,未解越多,火星引發地球人越來越多的關注。

中國空間探索是時候走向深空了

新一輪深空探測的科學浪潮悄然興起,這其中怎能少了中國的身影呢?

令人欣喜的是,“嫦娥”工程四戰四捷,我們每一步都走得很紮實,積累了很多深空探測的經驗,包括航太器及載荷的設計製造、軌道設計、遠距離測控、路面巡視、長期運控、探測數據處理等。現在,是時候真正走出地球搖籃,走向更遠的深空了。

我國的火星探測器由軌道器(衛星)、著陸器和巡視器(火星車)組成,一次任務實現“繞、落、巡”三大工程目標。環繞火星運作的軌道器上將搭載高、中解析度相機、光譜儀、磁力計、表面雷達、離子和中性粒子探測儀等科學載荷;巡視器上將搭載探地雷達、光譜相機、小型氣象站、磁場探測儀等載荷,這些儀器設備有望幫助我們建立起對火星全面而基礎的認識。

當然,前往火星的路途充滿險惡,比如長達7-8個月的飛行、全程約5億公里的路途、40多分鐘通話延時、著陸前約8分鐘的持續制動,還有火星崎嶇堅硬的表面和大範圍沙塵暴,這些都是擺在我們面前的難題。

不過,我們去火星,不是因為那裏好玩,也不是為了證明我們“到此一遊”,而是因為我們對未知世界充滿好奇,因為我們對困難敢於挑戰。著陸火星僅僅是邁向深空的第一步,未來還會嘗試從火星取樣返回,也會向小行星、木星等其他天體派出探測器,探索更多的未知,破解更多的謎題。

施韡(上海市天文學會副秘書長)

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