人類火星探測起步于20世紀60年代,蘇聯(lián)在1960年發(fā)射首顆火星探測器,此后經(jīng)過60多年發(fā)展,從早期的飛越和環(huán)繞探測,到如今的著陸和巡視探測,火星已經(jīng)成為人類探測最多、研究程度最高的類地行星。
火星也是當(dāng)前太陽系探測和行星科學(xué)的焦點?;鹦翘綔y對于研究太陽系早期歷史、探索生命起源具有重要意義,對于認識和保護地球、拓展生存空間具有重要價值,有助于實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。
火星表面
火星的秘密很多
火星是地球的鄰居,而且可能存在生命或適宜生命繁衍,因此成為太陽系最重要的探測目標。
火星距離太陽平均為228萬千米,約是日地距離的1.5倍,它的體積是地球的1/4,重量是1/10,表面重力有地球的40%。夜空中的火星是一顆亮度變化很大的暗紅色星球,像天邊的篝火。
火星位于太陽系宜居帶內(nèi),環(huán)境與地球非常相似,地表平均溫度-55℃,白天可以達到28℃,夜晚低至-132℃?;鹦亲赞D(zhuǎn)一周24.66小時,與地球的1天相差半個多小時,公轉(zhuǎn)周期687天,相當(dāng)于地球的1.9年,火星有四季變換,每個季節(jié)持續(xù)約6個月?;鹦巧弦灿写髿鈱?,但非常稀薄,而且二氧化碳含量占了95%。
最重要的是,火星存在液態(tài)水。雖然現(xiàn)在火星表面完全干涸,但很多地區(qū)有流水侵蝕痕跡,縱橫交錯的河床顯示,火星曾有大大小小的湖泊和海洋。2002年,美國宣布從火星南極圖像和數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)大量的冰,2018年,科學(xué)家在火星南極冰蓋下發(fā)現(xiàn)20公里寬的液態(tài)水。
人類探測火星的過程與月球相似,隨著技術(shù)進步,正在按照環(huán)繞探測、著陸探測、巡視探測、采樣返回和載人登陸的步驟逐漸深入。目前人類已經(jīng)實現(xiàn)環(huán)繞探測、著陸探測和巡視探測,我國“天問一號”在一次任務(wù)中完成三個探測步驟,成就非常了不起。
天問一號著陸器
目前火星探測已經(jīng)到了采樣返回的階段,我國“天問三號”探測器計劃在2028年發(fā)射,要去火星采樣。美國的毅力號火星車已經(jīng)開始進行采樣任務(wù),不過這些珍貴樣品要到2033年才能送回地球。
火星探測的科學(xué)意義大
太陽系的起源和演化、尋找地外生命和宜居環(huán)境、行星的起源和演化是當(dāng)代太陽系探測的三大科學(xué)主題,而火星上蘊藏著珍貴線索。
為了探索太陽系的起源,人類不斷尋找太陽系形成的早期物質(zhì)和信息,這些在火星上都可能有所保留。在火星不同位置的采樣分析,對火星形成過程、化學(xué)組成、內(nèi)部分異的研究具有重要價值。
火星的起源和演化為我們提供了地球以外的行星樣本。諸多跡象表明,很久以前,火星具有適宜生命存在的環(huán)境,在經(jīng)歷幾十億年的演化后變成現(xiàn)在的不毛之地。此外,火星磁場非常微弱,無法阻擋太陽風(fēng)高能粒子對星球表面的侵襲,火星上空的大氣同樣存在臭氧層空洞。
這些現(xiàn)象和問題,對于我們研究磁場演變以及磁場對星球的作用、地球臭氧層空洞的影響等很有參考價值,對于我們正確認識地球環(huán)境的變化趨勢,保護地球環(huán)境具有重要意義。
火星探測最重要的方向還是尋找生命痕跡。根據(jù)當(dāng)前研究成果,生命誕生的基本條件是液態(tài)水、能量和構(gòu)成生命的基本元素。目前我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)火星以極地冰和地下水形式存在的水資源,發(fā)現(xiàn)大氣里的甲烷?;鹦情L期位于太陽系宜居帶,溫度、大氣都為生命培育提供了適宜條件,是我們在宇宙中最近的可以找到外星生命的地方。
如果找到生命證據(jù),將會對人類如何認知宇宙生命產(chǎn)生重要影響。無數(shù)恒星和行星遍布宇宙空間,生命是否普遍存在?如果環(huán)境適宜并具備基本條件,生命就會產(chǎn)生,宇宙將比我們想象的更加熱鬧,而這個秘密可能很快就在火星揭曉。
可以牽引科技發(fā)展
火星探測是一項多學(xué)科交叉、技術(shù)高度集成的系統(tǒng)工程,其關(guān)鍵技術(shù)的突破,將帶動空間天文學(xué)、空間物理學(xué)、空間材料科學(xué)等基礎(chǔ)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展,探測成果將會促進行星學(xué)、宇宙學(xué)、火星生命學(xué)等學(xué)科進步,這些學(xué)科的進展又將帶動更多的基礎(chǔ)學(xué)科交叉、滲透和共同發(fā)展。
火星探測還是當(dāng)今世界最前沿的科技創(chuàng)新活動。與登月相比,火星與地球距離更加遙遠,環(huán)境更加陌生,實施難度和技術(shù)挑戰(zhàn)驟升,已經(jīng)成為國際空間技術(shù)戰(zhàn)略制高點和行星探測的首要目標。
目前人類共開展過47次火星探測任務(wù),成功率約53%,隨著航天科技能力不斷提升,2000年以后的成功率提升到約80%。即便如此,全世界也只有美國、蘇聯(lián)、歐盟、印度、阿聯(lián)酋等寥寥幾個國家實現(xiàn)了火星探測,能夠在火星著陸的只有美國和中國??梢哉f,火星探測是國家航天能力的試金石。
“天問一號”實施前,我國對火星無實際飛行經(jīng)驗,無一手環(huán)境數(shù)據(jù),未提前發(fā)射火星中繼衛(wèi)星,而在一次任務(wù)中實現(xiàn)了火星環(huán)繞、著陸、巡視三大目標?!疤靻栆惶枴毕到y(tǒng)非常復(fù)雜,任務(wù)起點高,技術(shù)跨越大。
這項任務(wù)的成功實施,是集中全國各方面科研力量,集智攻關(guān)、突破創(chuàng)新的結(jié)果,也是我國在大推力火箭、深空測控、軌道設(shè)計、高精度飛行控制、深空自主導(dǎo)航、地外天體著陸等技術(shù)逐漸發(fā)展成熟的結(jié)果,代表我國已躋身全球深空探測先進者行列。
太空移民的首選地
如今我們處于一個科技空前發(fā)達、物質(zhì)極大豐富、人口迅速增長、社會高度文明的嶄新時代,同時也面臨著新的重大危機,如氣候異常、環(huán)境污染、人口爆炸、能源危機等。解決這些問題有兩種途徑,一是加強治理,保護環(huán)境,限制人口,實現(xiàn)有限資源條件下的可持續(xù)發(fā)展;二是沖出地球,開辟新天地,拓展人類整體生存空間。
人類探索宇宙空間的終極目標就是走第二條路,開拓生存空間。隨著火星探測和研究的不斷深入,那里將是人類太空移民的首選地。
在火星表面的美國火星直升機
火星目前的環(huán)境還非常惡劣,無法滿足人類基本生存需求,大氣太稀薄、氧氣含量低、晝夜溫差大。但火星優(yōu)勢更多,它是離人類最近的星球之一,擁有支持生命所需的所有資源。
科學(xué)家們提出設(shè)想,通過進一步增強火星溫室效應(yīng),提高表面溫度,形成地表水流,培育能進行光合作用的菌類和苔蘚,逐步開展植樹造林計劃,改變火星大氣的成分。經(jīng)過一到兩個世紀的不懈努力和改天換地,可以把火星改造成世外桃源,變成人類的第二家園。
這一切的實現(xiàn)都依賴于人類對火星的詳細探測,我們要調(diào)查火星的礦物巖石,分析火星資源分布和環(huán)境特點,為未來大規(guī)模登陸火星和資源利用打下基礎(chǔ)。今天我們已經(jīng)向這個美好未來邁出了第一步,正如100多年前,人們難以想象可以坐著寬敞的飛機,橫跨大洋去另一個大陸,也許100年后,任何一個地球人都可以坐著航班抵達火星。(作者:楊詩瑞)