? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 航天時(shí)代?火星探索?那些少為人知的探測(cè)事

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2021-07-08? ?青野云麓??

北京時(shí)間2021年5月15日7時(shí)18分，“天問一號(hào)”著陸巡視器成功著陸火星，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得圓滿成功。人類的火星探測(cè)走過(guò)了怎樣艱辛的旅程？近日，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)中心研究員、中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)預(yù)先科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成員趙宇 在“深圳市民文化大講堂”上為大家講述了火星探測(cè)的故事。?

“天問一號(hào)”是中國(guó)行星探測(cè)的第一個(gè)任務(wù)，它的目的地是火星。隨后的“天問二號(hào)”“天問三號(hào)”不僅有針對(duì)火星的，而且還會(huì)去其他的行星進(jìn)行探測(cè)。未來(lái)10年，中國(guó)在行星探測(cè)領(lǐng)域有很多新的任務(wù)，已經(jīng)列入國(guó)家的發(fā)展規(guī)劃。我們的征途是星辰大海，雖然任務(wù)艱巨，但未來(lái)可期！

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“天問一號(hào)”的火星之旅?

“天問一號(hào)”是我國(guó)獨(dú)立開展行星探測(cè)的第一步，通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的“繞、著、巡”，即火星環(huán)繞、火星著陸、火面巡視，這是世界航天史上還沒有過(guò)的先例。?

2020年7月23日，“天問一號(hào)”在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)由長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空，開啟了奔向火星的征程?！疤靻栆惶?hào)”整體大約有5噸重，和助推器分離后，它飛往火星的速度非?？?，為每秒30公里左右。在飛行了約4.75億公里后，“天問一號(hào)”于2021年2月10日成功進(jìn)入火星軌道，并且拍回了照片。?

“天問一號(hào)”著陸巡視器在確定了著陸區(qū)域后，開始著陸。整個(gè)降落的過(guò)程約需8分鐘，完全靠“天問一號(hào)”自己操作完成。它自己打開降落傘，懸停在空中，自己拍攝周圍環(huán)境，看哪里最安全，然后再降落下去。一切就緒后，“祝融號(hào)”火星車從著陸平臺(tái)上行駛下來(lái)，開始對(duì)火星表面進(jìn)行巡視探測(cè)。整個(gè)火星車的設(shè)計(jì)壽命為90個(gè)火星日。?

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“天問一號(hào)”探測(cè)器主要包括兩個(gè)部分，一個(gè)是環(huán)繞器，一個(gè)是著陸巡視器。?

環(huán)繞器本身是一個(gè)超級(jí)科研能手，攜帶著可以探測(cè)火星近鄰空間的多種科學(xué)儀器。它可以對(duì)火星表面拍照，對(duì)火星表面的礦物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，還可以探測(cè)火星周邊的磁場(chǎng)以及火星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。?

“祝融號(hào)”火星車帶著6臺(tái)載荷。它有一雙“眼睛”，就是一個(gè)多光譜相機(jī)。它有一個(gè)火星表面成分探測(cè)儀，這個(gè)儀器可以發(fā)射激光，對(duì)它周邊5米—7米的目標(biāo)進(jìn)行物質(zhì)成分探測(cè)。火星車沒有機(jī)械臂，它就是通過(guò)激光進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)。它還帶著一個(gè)次表層探測(cè)雷達(dá)和一個(gè)火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀，可以和環(huán)繞器攜帶的科學(xué)儀器相互驗(yàn)證。這是“天問一號(hào)”的一個(gè)重要特點(diǎn)——能夠開展天地協(xié)同的探測(cè)。此外，火星車還帶著一個(gè)氣象測(cè)量?jī)x，找路時(shí)可以知道溫度、壓力、風(fēng)速等信息?！白Ｈ谔?hào)”火星車看上去很可愛，實(shí)際上它有1.85米高，重量達(dá)240公斤左右。?

和世界上已有的火星車與探測(cè)器相比，“天問一號(hào)”這次去火星時(shí)所攜帶的儀器非常先進(jìn)，而且，天地協(xié)同的觀測(cè)可以對(duì)火星表層和內(nèi)部進(jìn)行全面探測(cè)，所以我相信，“天問一號(hào)”一定會(huì)給我們帶來(lái)很多新的發(fā)現(xiàn)。?

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探測(cè)火星的四個(gè)研究主題?

再來(lái)介紹火星的基本情況。?

火星距離太陽(yáng)比地球距離太陽(yáng)要遠(yuǎn)，它的每一年大概是我們的兩年。它自轉(zhuǎn)的一天，比地球大約長(zhǎng)40分鐘?；鹦潜鹊厍蛐。仍虑虼?，它的質(zhì)量大約是地球的1/10，我們希望通過(guò)對(duì)它的研究，了解大小不同的天體是怎樣演化的。?

目前，我們對(duì)火星內(nèi)部的了解非常少，我們推測(cè)它應(yīng)該和地球一樣有地幔、地核。因?yàn)榛鹦堑拇髿夥浅Ｏ”。s是地球的1%，所以它的平均溫度比地球低很多。地球的平均溫度為14攝氏度左右，火星則是零下63攝氏度。在這樣的溫度下，二氧化碳會(huì)凍結(jié)成干冰保存在火星表面。?

火星有一個(gè)很大的特點(diǎn)，即南北二分性?；鹦堑恼麄€(gè)南半球多是較高的高地，上面坑坑洼洼，說(shuō)明南半球的歷史比較久遠(yuǎn)。而北半球看起來(lái)比較低平，表面平坦，顏色呈深藍(lán)色，是一片年輕的大陸。這種南北二分性出現(xiàn)的時(shí)間非常早，很可能在它形成的前幾億年就已經(jīng)完成了。?

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火星和地球一樣有分明的四季，因?yàn)樗淖赞D(zhuǎn)軸也有一個(gè)傾角，所以火星也有春分、夏至、秋分和冬至?；鹦枪D(zhuǎn)的軌道是橢圓形的，在靠近太陽(yáng)的時(shí)候得到的光照和熱量多，在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的時(shí)候得到的光照少?；鹦悄媳卑肭虻沫h(huán)境有很大差異，火星的南半球有更強(qiáng)烈的溫差變化。?

我們把火星的生命階段分成幾個(gè)部分。一是現(xiàn)在的火星，也就是我們現(xiàn)在看到的樣子。火星表面幾乎沒有液體水，因?yàn)閴毫蜏囟确浅５?，所以水不能以液態(tài)的形式存在。二是過(guò)去30多億年間的火星，我們把它分為亞馬遜紀(jì)和西方紀(jì)，那時(shí)候的火星有冰川和間歇性火山活動(dòng)。三是更早年代的火星。那時(shí)候的火星是有磁場(chǎng)的，可能有很多火山巖漿的活動(dòng)，還可能有海洋，由于外來(lái)的猛烈撞擊造成地形的巨大變化。這是我們科學(xué)研究最感興趣的階段，因?yàn)榈厍蛞灿幸欢稳笔У臍v史，而火星給我們提供了一個(gè)樣本，這也是我們探測(cè)火星的原因之一。?

今天，我們探測(cè)火星，主要是圍繞四個(gè)研究主題：一、火星上到底有沒有生命；二、如果火星的氣候原來(lái)和地球一樣，那為什么現(xiàn)在變成了一個(gè)不適合生命存在的星球；三、它是怎么演化的；四、如果我們要去火星的話，怎樣才能保證宇航員的安全。這些就是我們的工作目標(biāo)。?

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火星上到底有沒有“小綠人”?

火星一直是一個(gè)謎一樣的行星，19世紀(jì)后期至20世紀(jì)前期，“火星運(yùn)河”“火星人”等一度被傳得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，當(dāng)時(shí)很多美國(guó)人認(rèn)為火星上一定有火星人，還把它命名為“小綠人”。繼蘇聯(lián)發(fā)射一系列“火星號(hào)”探測(cè)器登陸火星連連受挫后，美國(guó)啟動(dòng)了“海盜號(hào)”火星探測(cè)計(jì)劃。?

1975年8月20日和9月9日，美國(guó)發(fā)射了兩個(gè)火星探測(cè)器，分別命名為“海盜1號(hào)”和“海盜2號(hào)”，并于1976年在火星表面軟著陸成功。它們的主要任務(wù)就是探測(cè)火星上有無(wú)生命。?

為什么我要重點(diǎn)介紹“海盜號(hào)”探測(cè)器？一是因?yàn)樗鼈兪堑谝粋€(gè)成功著陸火星并發(fā)回大量數(shù)據(jù)和照片的探測(cè)器。二是因?yàn)樗鼈兒汀疤靻栆惶?hào)”非常相像，也是包括一個(gè)軌道飛行器和一個(gè)著陸器。?

“海盜1號(hào)”當(dāng)時(shí)著陸的地方叫克里斯平原。為什么要在這里著陸？因?yàn)檫@個(gè)著陸地點(diǎn)的旁邊是很大的峽谷，科學(xué)家認(rèn)為這里很可能有水存在。但是，“海盜1號(hào)”沒有找到水，看到的都是火山形成的巖石?！昂１I1號(hào)”和“海盜2號(hào)”的著陸器都是不能移動(dòng)的，主要靠機(jī)械臂挖取周邊的土壤樣品進(jìn)行分析，使我們知道地球上的很多隕石是從火星上來(lái)的?！昂１I號(hào)”還測(cè)量了火星的大氣成分。?

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“海盜2號(hào)”降落的地方是烏托邦平原，也就是“天問一號(hào)”這次著陸的區(qū)域。它著陸的地方比“天問一號(hào)”的緯度更高一些，氣候也更冷一些。和“海盜1號(hào)”一樣，它著陸后發(fā)現(xiàn)周圍都是大塊的巖石。由于它所處的位置緯度較高，所以有了一個(gè)驚喜的發(fā)現(xiàn)。天氣開始轉(zhuǎn)冷的時(shí)候，它發(fā)現(xiàn)每天早上火星表面都會(huì)出現(xiàn)冰霜。這說(shuō)明火星的大氣里是有水的，水主要以霜的形式出現(xiàn)。等到太陽(yáng)出來(lái)后，霜就會(huì)蒸發(fā)到大氣中去。?

“海盜號(hào)”當(dāng)時(shí)在火星上做了一些探測(cè)生命的實(shí)驗(yàn)。它直接探測(cè)火星土壤里的碳，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳的含量非常低。它還做了3組培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，分別在土壤里放入氣體或營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，看土壤里有沒有微生物或有機(jī)物，最后也沒有任何發(fā)現(xiàn)。?

從那以后，人們對(duì)于火星探測(cè)的熱忱降低了不少。?

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幾代火星車的探索與發(fā)現(xiàn)?

直到20年之后，才有另一個(gè)火星探測(cè)器抵達(dá)火星。?

1996年12月4日，美國(guó)發(fā)射了“探路者號(hào)”探測(cè)器，于1997年7月4日在火星表面著陸。它攜帶的“索杰納號(hào)”火星車，是人類送往火星的第一輛火星車。它僅有微波爐大小。?

這輛火星車著陸后只能在離著陸器12米的范圍內(nèi)不停移動(dòng)。它總共移動(dòng)了100米左右，分析了16個(gè)采集的樣品。這些樣品對(duì)我們了解火星巖石的成分有很大幫助。?

經(jīng)過(guò)前幾次火星著陸，科學(xué)家對(duì)火星探測(cè)的策略重新做了調(diào)整。2003年，美國(guó)“火星探測(cè)漫游者計(jì)劃”的任務(wù)是“尋找水”，希望從尋找水和尋找生命宜居的環(huán)境入手進(jìn)行探測(cè)。?

“火星探測(cè)漫游者計(jì)劃”先后將“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”兩輛火星車送往火星。這兩輛火星車均帶有全景照相機(jī)，可以拍攝著陸點(diǎn)的全景照片?；鹦擒嚿嫌幸粋€(gè)機(jī)械臂，附帶打磨和探測(cè)的工具。它一邊走一邊拍照，一旦選定探測(cè)目標(biāo)，比如一塊巖石，就會(huì)上前把石頭表面打磨掉一層，并用攜帶的成分探測(cè)儀進(jìn)行分析。它還有一個(gè)放大鏡，可以拍攝非常清晰的照片。?

“機(jī)遇號(hào)”火星車降落的地方叫子午線高原。根據(jù)遙感推測(cè)，這個(gè)地方有很強(qiáng)的赤鐵礦的信號(hào)，而在地球上，赤鐵礦通常是在有水的環(huán)境下形成的?！皺C(jī)遇號(hào)”火星車著陸后果然發(fā)現(xiàn)，這里很大一塊區(qū)域都有赤鐵礦，這說(shuō)明這個(gè)地方原來(lái)很可能有水?！皺C(jī)遇號(hào)”火星車在著陸點(diǎn)附近找到了第一塊火星上的隕石，它還帶領(lǐng)我們看到了火星上的沉積巖。沉積巖上有溪流、地下水的活動(dòng)痕跡。?

“機(jī)遇號(hào)”火星車非常長(zhǎng)壽，它的設(shè)計(jì)壽命只有幾個(gè)月，但實(shí)際上它工作了14年，從2004年一直到2018年。?

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另一輛火星車“勇氣號(hào)”著陸的地方叫古謝夫撞擊坑。之所以選擇這個(gè)地點(diǎn)，也是認(rèn)為那里可能有水，但實(shí)際上并沒有找到任何有水的證據(jù)。?

不過(guò)，“勇氣號(hào)”火星車后來(lái)走到一個(gè)叫本壘的地方，在巖石上找到了有水的證據(jù)。那里有一些形狀奇特的石頭，尤其是指突狀的巖石，通常是在熱泉的環(huán)境中形成的，說(shuō)明這里曾經(jīng)有過(guò)熱泉的環(huán)境。此外，“勇氣號(hào)”火星車還發(fā)現(xiàn)火星紅色的土壤下有白色的物質(zhì)，那是蒸發(fā)的鹽類，這個(gè)地方原來(lái)也曾經(jīng)是有水的。?

2011年美國(guó)發(fā)射的“好奇號(hào)”火星車搭載著當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的載荷，它的主要任務(wù)是探索火星宜居環(huán)境，包括尋找水和能源。它要找的水是可以維持生命的淡水，所以它選擇降落在蓋爾撞擊坑，因?yàn)樯w爾撞擊坑很可能原來(lái)是個(gè)古湖。?

“好奇號(hào)”火星車非常重，有1噸左右，它飛了八個(gè)多月后著陸火星。和之前的火星車很不一樣的是，它是靠核能驅(qū)動(dòng)的，所以它不需要依賴太陽(yáng)能，這使得它的壽命很長(zhǎng)。它有一個(gè)很復(fù)雜的機(jī)械臂，可以鉆取樣品，采樣后自己進(jìn)行分析。它還帶有一個(gè)激光分析器，可以發(fā)射激光，在約5米開外的地方分析巖石成分。?

“好奇號(hào)”火星車的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，是它找到了證據(jù)，證明火星上曾經(jīng)有流體水，而且這個(gè)水是淡水。此外，它在火星泥巖鉆取的樣品中，發(fā)現(xiàn)了一些比較簡(jiǎn)單的有機(jī)物。這些比之前的探測(cè)都進(jìn)了一大步。?

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火星探測(cè)任務(wù)艱巨，未來(lái)可期?

從1960年到2020年，全球共進(jìn)行了47次火星探測(cè)。早期的時(shí)候，有2/3的火星探測(cè)都失敗了。在20世紀(jì)六七十年代，發(fā)射的探測(cè)器經(jīng)常找不到，不是偏離既定的軌道，就是因?yàn)楦鞣N原因失聯(lián)，或者發(fā)生事故而損毀了。一直到20世紀(jì)90年代以后，隨著火星探測(cè)技術(shù)越來(lái)越成熟，火星探測(cè)的成功率才有了顯著提升。?

火星探測(cè)的難點(diǎn)有很多，我僅以火星車的輪子設(shè)計(jì)為例，來(lái)說(shuō)說(shuō)火星探測(cè)是如何一步步往前發(fā)展的。前面我們講到，火星車的體積越來(lái)越大，所以它的車輪也越來(lái)越大?；鹦擒嚨能囕啿荒芟竦厍蛏夏菢佑孟鹉z制作，因?yàn)橄鹉z無(wú)法適應(yīng)火星極端寒冷的環(huán)境。所以，車輪必須用金屬材料，而且要輕，還要有很強(qiáng)的硬度。之前的“機(jī)遇號(hào)”“勇氣號(hào)”火星車都發(fā)生了陷在軟沙里不能動(dòng)彈的事故，因此后來(lái)的“好奇號(hào)”火星車專門做了改進(jìn)，增加了抓地力。但是，“好奇號(hào)”火星車的輪子又出了問題，被火星上遍地都是的堅(jiān)硬的巖石戳了許多個(gè)洞，破損嚴(yán)重。2021年2月19日著陸火星的“毅力號(hào)”，作為美國(guó)最新一代的火星車，車輪在“好奇號(hào)”火星車的基礎(chǔ)上又做了革新，采用新型的記憶合金輪胎，車輪進(jìn)一步加厚了，用于應(yīng)對(duì)尖銳的巖石，能夠輕松跨越崎嶇的地形。記憶合金材質(zhì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)遇到尖銳物品時(shí)，它不會(huì)完全變形，而是有一定的彈性，可以保證火星車的安全行駛。?

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最后，讓我們一起展望中國(guó)行星探測(cè)的未來(lái)。我們整個(gè)的行星探測(cè)被稱為“天問”系列，“天問”系列的任務(wù)包括開展火星探測(cè)、火星的采樣并返回以及木星系探測(cè)等等?！疤靻栆惶?hào)”是中國(guó)行星探測(cè)的第一個(gè)任務(wù)，它的目的地是火星。隨后的“天問二號(hào)”“天問三號(hào)”不僅有針對(duì)火星的，而且還會(huì)去其他的行星進(jìn)行探測(cè)。未來(lái)10年，中國(guó)在行星探測(cè)領(lǐng)域有很多新的任務(wù)，已經(jīng)列入國(guó)家的發(fā)展規(guī)劃。我們的征途是星辰大海，雖然任務(wù)艱巨，但未來(lái)可期！