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火星探测“窗口期”:天问、希望和毅力的火星之旅



火星探测“窗口期”:天问、希望和毅力的火星之旅 1
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中国“天问一号”火星探测器7月23日升空,成功进入飞往火星的轨道,开始7个月的星际航程。

阿联酋的第一个火星探测器,“希望号”20日先行一步,然后如果不出意外,美国的“毅力号”近日也将出发,沿地球-火星航道去执行NASA第五次火星探测任务。

“希望” 、“天问”和“毅力”是今年火星探索“窗口期” – 最佳发射时间段 – 计划中的三次发射任务。对于那颗遥远的红色星球来说,这三个星际访客都代表地球文明。

如果旅途一切顺利不出意外,三枚探测器都将于2021年2月抵达目标位置。

美国NASA这次登陆火星时,还准备尝试放飞一架无人驾驶直升机。

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使命

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。

中国的“天问一号”主要任务是地质勘测,用雷达“透视”几千米深的地层,采集岩石土壤等样本,绘制火星地质结构图,探测火星磁场,由此解开火星磁场的演变历史。

这是中国首次火星探索任务,目标是通过一次发射实现火星环绕、着陆并开展火星表面地理探测,收集数据。

探测器计划于2021年2月11日 – 24日环绕火星运行两个月,然后在4月23日将一辆火星漫游车放到火星表面。

探测考察时间为90个火星日;一个火星日有24小时39分钟。

天问一号
天问一号外表像NASA的“精神与机遇”火星漫游车,重约240公斤,用折叠式太阳能电池板供电。 ©Reuters

阿联酋“希望号”火星探测器北京时间7月20日凌晨5点58分从日本种子岛航天中心发射升空,使用的是日本的H-IIA运载火箭。

“希望号”经过约200天的飞行,计划于2021年2月抵达火星轨道,并通过探索成像仪、红外光谱仪以及紫外光谱仪对火星气候及天气进行探测研究。

它类似于火星的气象卫星,绕火星做近赤道轨道运行,收集星球上不同区域在不同季节和不同时间的全天候气象数据,还有其他相关数据,帮助地球上的科学家更全面地了解和掌握火星的气候条件。

这有助于解开一个关于火星的重要谜团:那个红色的行星曾经和地球一样遍布江河湖海,怎么变成现在这种干枯、荒芜的状态,答案可能藏在火星周围的气层里。这方面的研究对地球的环境和未来趋势有很重要的启示。

这是阿联酋的首次火星探测任务,开启阿联酋和阿拉伯世界星际探索先河,也标志着新一轮火星探测周期的开启。

探测器印象图
希望号探测器考察项目之一是火星大气层的能量流动状况。(探测器印象图) ©MBRSC

“毅力号”火星探测器将执行美国国家航空航天局(NASA)的第五次火星探测任务计划 。预计将于7月底到8月15日之间从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射,2021年2月18日(美东时间)在火星表面的耶泽洛陨石坑(Jezero crater)着陆。

火星探测器目前主要有三种:绕火星轨道运行,进行远距离探测,比如希望号气象卫星;降落到火星表面,进行原地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)。

《纽约时报》报道说NASA这次准备把一架直升飞机运到火星去,希望开启火星上的航空元年。

Mars launch Long March 5
中国长征5火箭将天问一号送到飞往火星的航道 ©AFP

“火星年火星季”窗口期

2020年是两年一次的火星年,而7月中旬~8月中旬则是今年的火星季,这数周的时间是绝佳的“火星探测器窗口”。

今年10月14日将出现“火星冲日”的天文现象,届时火星、地球和太阳所处的轨道位置将形成一条直线,火星和地球的距离也将最近,因此适合高效完成火星探测任务。

考虑到地球与火星的距离以及地球和火星绕太阳公转的速度,最佳的发射时间是“火星冲日”之前两个月左右。

“希望号”、“天问一号”和稍后的“毅力号”将共同开启新一轮火星探索周期。

四分之一个世纪前的“火星季”,1965年7月15日,美国国家航空航天局(NASA,又译美国宇航局, 美国太空总署)的不载人火星探测器水手4号(Mariner 4)飞越火星,近距离拍摄火星表面图片传回地球。这些相片证实当时很多人相信的火星表面有运河的传说是错觉。

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高难度

为什么探访那颗红色的星球是星际旅行中难度最大的事情之一?

首先,地球与火星之间的距离在不断改变,两颗行星各自以不同的速度和距离绕太阳公转。地球和火星最远距离大约4亿公里,最近的距离是5600万公里。每隔26个月,也就是不到两年半,会出现一个飞火星的最佳时间段,所谓“窗口期”。这个时段地球位于最适合飞往火星的位置,火箭燃料消耗最少。 火星之旅的飞行时间约7个月。

2020年被称为火星年,因为有一个窗口期出现。

如果发射顺利,探测器成功抵达目标,而且没有受到太阳耀斑或其它太空物质的损伤破坏,就要挑战更棘手的第二道难关:火星着陆。

火星图片
“火星季”窗口期前后大约11天

要过这一关,探测器必须刹车减速,然后以正确的角度切入火星大气层,角度太陡会起火燃烧并融化,太小则会反弹。

火星大气层厚度只有地球大气层的百分之一。探测器着陆过程中需要降落伞和隔热罩为登陆舱减速。安全着陆时还会用到安全气囊和后向火箭(向行驶方向发射的火箭)。

穿越大气层着陆的过程只有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、角度都需要精准的控制。对于天问一号来说,一切都是第一次,又因为地球单程无线电信号到达火星需要20分钟个,无法即时指挥。

毋庸置言,必须降落在准确着陆地点,这很重要,因为火星表面有悬崖、沟壑、火山口和洞穴,找错落脚点后果会很严重。

“天问一号”将结合使用多种着陆技术和设备。如果一切顺利,漫游车将顺着着陆坡道穿越火星平原。

乌托邦平原
NASA 1976年“维京二号”火星探测器在火星表面的乌托邦平原(Utopia Planitia)着陆 ©NASA-JPL

“天问一号”的着陆点是火星赤道以北的一处名叫乌托邦冲击盆地内的平原。火星车将探索该地区地表和地下的地质状况。

它外表像NASA的“精神与机遇”火星漫游车,重约240公斤,用折叠式太阳能电池板供电。

它高大的桅杆上装有照相机,可以拍照并辅助导航,另外还配备了五台地质探测仪器。

漫游车在火星表面探测时,绕火星轨道运行的飞行器将用一套有七种遥感仪器的系统从空中研究火星。

马斯克(Elon Musk)在天问一号成功升空后在推特上表示祝贺。

他2002年创办的SpaceX用猎鹰9号(Falcon 9)和重型猎鹰(Falcon Heavy)火箭提供商业和政府官方的航天发射服务。

他的目标是降低太空运输的成本,令人类到火星居住成为可能。

英国RAL Space科学家厄尔沙德(Rain Irshad)博士说:“看到中国的成就真是令人兴奋。他们的航天局成立于1993年,但不到30年后就向火星发射轨道飞行器、着陆器和流动工作站。”

她认为中国团队从登月项目中积累了经验。

探索红色星球的历史数据众所周知:所有冒险活动中大约有一半失败了,包括中国的“银河一号”,没有冲出地球轨道,最后落入太平洋。

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