導(dǎo)讀
在五一假期的最后一天,我們即將迎來忙碌的五月。在我國航空航天領(lǐng)域,五月將會(huì)發(fā)生一件大事,那就是“天問一號”將在本月底擇機(jī)著陸火星。此前,探測器在火星軌道上運(yùn)行了3個(gè)月,國家航天局4月底也公布了中國第一輛火星車名稱——“祝融號”,準(zhǔn)備它接下來的登陸工作。
實(shí)際上,火星探測起步于20世紀(jì)60年代。1960年,蘇聯(lián)發(fā)射人類首顆火星探測器、揭開火星探測的序幕。截至2020年9月,人類共開展了47次火星探測任務(wù)。最近的一次火星登陸是2021年2月19日,“毅力號”(Perseverance)火星車在不經(jīng)變軌的情況下直接突入火星大氣層,成功著陸。
今天,我們就來回顧下這60年間火星探測的歷程。
冷戰(zhàn)時(shí)期,美蘇競技
冷戰(zhàn)時(shí)期(1990年前),火星探測的主要特征是美、蘇把火星探測作為競技場,掀起了火星探測的一輪高潮。
01蘇聯(lián)吹響號角
1960年10月,蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上第一個(gè)火星探測器,不幸的是,它還未進(jìn)入地球軌道就宣告失敗了。4天后,蘇聯(lián)發(fā)射了第二個(gè)探測器,也遭遇了失敗。
直至1971年,蘇聯(lián)發(fā)射的“火星2號”,終于成功進(jìn)入環(huán)繞火星的人造衛(wèi)星軌道。“火星2號”著陸器和母體分離后命中火星表面,以粉身碎骨的方式成為火星上第一個(gè)人造物體。
“火星3號”
得益于“火星2號”的經(jīng)驗(yàn),蘇聯(lián)于1971年12月2日發(fā)射的“火星3號”,首次實(shí)現(xiàn)了火星表面的軟著陸。
遺憾的是在著陸后,密封艙只在20秒里送回電視電波后信息就中斷了。然而就在這20秒時(shí)間中,它向地球傳回了來自火星地表的第一張照片。
在1990年前,蘇聯(lián) / 俄羅斯一共實(shí)施了17次火星探測任務(wù),但這些任務(wù)完全以任務(wù)成功與否來衡量探測成果,政治目的強(qiáng)烈,科學(xué)目標(biāo)相對淡化。
02美國穩(wěn)中求進(jìn)
雖然,美國比蘇聯(lián)晚4年發(fā)射,但先蘇聯(lián)一步成功。
1964年,美國國家航空航天局(NASA)發(fā)射了第一個(gè)火星探測器“水手3號”,不過也未能成功進(jìn)入軌道。
同年,美國發(fā)射的第二個(gè)火星探測器“水手4號”,成功實(shí)現(xiàn)“飛掠”,發(fā)回了大量寶貴的一手資料。
“水手4號”
“水手4號”有兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)顛覆了人們的認(rèn)知。
首先,它發(fā)現(xiàn)火星表面在過去40億年里沒有發(fā)生過變化,既沒有地質(zhì)變遷也沒有風(fēng)化。其次,它發(fā)現(xiàn)火星沒有全球性的磁場,所以無法抵擋致命的宇宙射線。
之前人們一直猜測火星上有生命存在,甚至還可能是高等級智慧生物。但是,“水手4號”傳回的照片粉碎了人們對火星文明的幻想。
從“水手4號”以后,人們對火星生命的研究就轉(zhuǎn)向了微生物。
1971年5月,美國發(fā)射了“水手9號”,它成為了火星第一個(gè)人造衛(wèi)星。而且在“水星9號”接近火星的時(shí)候,拍到了火星全球性沙塵暴天氣,證實(shí)了天文學(xué)家之前的懷疑——火星上存在“超級沙塵暴”。
“水手9號”拍攝的“奧林匹斯火山” 來源:NASA
直到1972年,沙塵暴逐漸平息后,人類才透過“水手9號”的眼睛目睹了火星的全貌。
NASA的科學(xué)家們看到了河床、撞擊坑、巨大的死火山、峽谷、極地沉積物、冰晶云,還有皚皚的白色晨霧。
“水手9號”發(fā)回的疑似水流過的痕跡,又使人們重新燃起了對這個(gè)獨(dú)特星球的興趣,期盼著能夠發(fā)現(xiàn)生命。
“水手9號”拍攝的“水手谷”(太陽系最大最長的峽谷之一) 來源:NASA
在這之后,美國又發(fā)射了“海盜”系列探測器,該系列探測器由軌道器和著陸器構(gòu)成。
“海盜號”
其中,“海盜1號”的著陸器于1976年9月成功登陸火星,并且成功傳回了火星表面的照片。
火星地表的真實(shí)面貌被展現(xiàn)出來。這是一個(gè)空曠、貧瘠、亂石遍布的世界,富含鐵元素的土壤因?yàn)檠趸@得一片橙紅。
火星地表的第一張彩色照片(“海盜一號”拍攝)來源:NASA
有趣的是,“海盜1號”后續(xù)傳回的一張照片引起了世界轟動(dòng),被誤傳為火星人的形象。
最后證實(shí)拍攝的形似人臉的火星丘陵,實(shí)際是光影造成的錯(cuò)視。
來源:NASA
基于“海盜1號”傳回的數(shù)據(jù),“海盜2號”于1975年9月9日帶著研究火星溫度、磁場、風(fēng)速、風(fēng)向、X射線光譜等任務(wù)發(fā)射升空,1976年9月3日觸地于火星烏托邦平原。
令人意外的是,“海盜2號”上搭載地震檢波器觀測到了一次難得一遇的火星地震,這為人類探索地外天體提供了某種新的方向。、
90年代,美國成為火星探測先鋒
20世紀(jì)90年代(1990-1999年),全球共進(jìn)行了7次火星探測任務(wù),其中美國5次,俄羅斯和日本各1次。
在此階段,美國開始了其持續(xù)至今的“火星探測計(jì)劃”。
標(biāo)志性任務(wù)為“火星探路者”(MPF),其攜帶的“索杰納”(Sojourner)是全球第一輛在火星表面著陸的火星車。
“火星探路者”著陸器及“索杰納”火星車示意圖
“索杰納”主要采用太陽能動(dòng)力,其行駛速度約60.96 cm/min,猶如蝸牛爬行。雖然行走速度慢,但著陸器和火星車兩者共發(fā)回了23億比特的信息。
這些信息中包括超過1.7萬張照片,超過15條對周圍巖石和土壤的化學(xué)分析數(shù)據(jù),以及大量有關(guān)著陸地點(diǎn)風(fēng)和其它氣候狀況的紀(jì)錄數(shù)據(jù)。
此次觀測顯示早期歷史上的火星環(huán)境可能更加和地球相似,其地表可能曾經(jīng)存在液態(tài)水,并且大氣層濃度也要高于現(xiàn)在。
“火星探路者”
同年,俄羅斯發(fā)射了“火星96”,結(jié)果由于發(fā)動(dòng)機(jī)故障,火箭第四級二次點(diǎn)火失敗,發(fā)射次日返回地球大氣層中墜毀。
在1998年,日本發(fā)射了“行星B軌道器”,雖然進(jìn)入了火星大氣層,觀測到了火星大氣層與太陽風(fēng)的相互作用,但未能在火星表面著陸。
當(dāng)然,美國也有數(shù)次失敗的案例,但成功的概率遠(yuǎn)高于其他國家。
21世紀(jì),火星探測百家爭鳴
21世紀(jì)初至2020年7月底,國外共實(shí)施了14次火星探測任務(wù),該階段火星探測任務(wù)最大的特點(diǎn)是大部分任務(wù)均成功(俄羅斯的“福布斯-土壤”除外)。
各國開展了對火星的長期環(huán)繞探測和巡視探測,此階段的科學(xué)目標(biāo)集中在火星演化歷史探測和火星生命信息兩方面。
01美國一馬當(dāng)先
21世紀(jì),美國火星發(fā)射的“奧德賽”探測器、“機(jī)遇號”和“勇氣號”火星車、“火星勘測軌道”飛行器、“鳳凰號”“好奇號”等都非常成功。
“鳳凰號”
讓人想不到的一個(gè)意外是,洞察號的“鼴鼠”(Mole)挖掘深度一直無法超過35 cm,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)最終未找出解決方法,只能被迫在2021年1月9日宣布停止這項(xiàng)計(jì)劃。
但好消息隨之而來,2021年2月19日凌晨4時(shí)55分,“毅力號”秒速5 km墜入火星大氣,超音速展開降落傘,拋隔熱罩改用天空起重機(jī),車體變形輪胎觸地完成著陸。
“毅力號”登陸火星想象圖 來源:NASA
憑借這些年發(fā)射的探測器,美國幾乎實(shí)現(xiàn)了對火星的立體勘察。
2015年NASA陸續(xù)宣布取得一系列關(guān)于火星的重大發(fā)現(xiàn),包括火星表面存在液態(tài)水、火星表面存在遠(yuǎn)古湖泊、火星地表以下土壤中存在液態(tài)水,以及火星上存在極光現(xiàn)象等。
這些科學(xué)成果將進(jìn)一步改變?nèi)藗儗τ诨鹦堑恼J(rèn)識(shí),為在火星上尋找生命痕跡提供重要證據(jù)和有力信息支撐,將對人類未來的太陽系探索和地外生命搜尋產(chǎn)生重要影響。
“火星藍(lán)莓”(一種富含赤鐵礦的礦物結(jié)石) 來源:NASA
02歐洲頗有成果
歐洲在火星深空探測上起步較晚。2003年,歐洲空間局(ESA)發(fā)射了“火星快車號”探測器,其軌道器運(yùn)行正常,但其著陸器“獵兔犬2號”卻失蹤了。
當(dāng)年,歐洲空間局以為此著陸器已墜毀于火星表面。
沒想到,2015年,美國的火星探測軌道飛行器MRO發(fā)現(xiàn)了疑似失蹤的“獵兔犬2號”:軌道圖像顯示此著陸器已成功登陸火星,但未能打開電池板,因此無法與地球取得聯(lián)系。
“獵兔犬2號”就這樣失聯(lián)了十多年,算是火星探測史上的離奇事件。
“獵兔犬2號”
但是,憑借“火星快車”任務(wù),歐洲的火星探測也取得了重大發(fā)現(xiàn)。如發(fā)現(xiàn)火星北極附近一個(gè)未命名的環(huán)形山的底部,有一塊水凝結(jié)成的冰;2004年,火星快車號探測器發(fā)現(xiàn)了火星極光的存在。
2016年3月,歐俄合作的“火星生物學(xué)-2016”(ExoMars 2016)也發(fā)射升空,它包括“微量氣體軌道器”和著陸器(Schiaparelli)。
雖然2016年10月份,其軌道器成功進(jìn)入火星橢圓軌道,但其攜帶的著陸器卻發(fā)生故障,導(dǎo)致著陸器墜落損毀。
03多國躍躍欲試
印度于2013年成功發(fā)射了火星探測器,是史上成本最低的火星計(jì)劃,費(fèi)用7500萬美元,也是亞洲第一個(gè)火星探測器。
中國國家航天局也曾與俄羅斯聯(lián)邦航天局合作,2011年中國的“螢火一號”火星探測器搭載俄羅斯的運(yùn)載火箭發(fā)射。
但因運(yùn)載火箭發(fā)射失敗,“螢火一號”與俄羅斯的“福布斯號”火星探測器一起墜入了太平洋。
2020年7月20日,阿聯(lián)酋“希望號”火星探測器使用日本H-2A火箭發(fā)射升空。
它是阿拉伯國家首個(gè)深空探測器,由美國提供技術(shù)支持研制。而且,“希望號”已于2021年2月9日成功入軌,主要目標(biāo)是研究火星的大氣和氣候。
除以上國家之外,還有大家熟知的馬斯克火星計(jì)劃。今年2月4日,SN9號星艦點(diǎn)火起飛,結(jié)果沒能完成落地前最后的翻身動(dòng)作,最終墜毀。
星艦原型機(jī)SN9號落地瞬間
總體而言,在21世紀(jì)第二個(gè)十年內(nèi),火星探索動(dòng)力最強(qiáng)勁的仍是美國。
04中國奮起直追
我國火星探測計(jì)劃是中國航天局第一個(gè)火星探測計(jì)劃,于2016年1月11日正式立項(xiàng),2020年4月24日被正式命名為天問一號,是中國行星探測工程的首次任務(wù)。
“天問一號”將通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項(xiàng)任務(wù),用環(huán)繞器對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測,這在人類火星探測史上是前所未有的。
“天問一號”火星探測器飛向火星示意圖
采用這種“一舉三得”的探火方式,起點(diǎn)高,效益高,挑戰(zhàn)大。如果成功了,將使我國深空探測能力和水平實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,成為世界第3個(gè)在火星著陸、第2個(gè)在火星巡視的國家。
國外火星探測能力對標(biāo)
在“毅力號”著陸后,本輪火星探測的第一階段已經(jīng)結(jié)束。2020年發(fā)射的三臺(tái)火星探測器(“毅力號”“希望號”“天問一號”)都取得了各自的階段性進(jìn)展,開始收集科學(xué)數(shù)據(jù),希望它們?yōu)槲覀儙砀嚓P(guān)于火星的認(rèn)知。
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