? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 航天時代?火星探索?那些少為人知的探測事

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

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

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

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“天問一號”的火星之旅?

“天問一號”是我國獨立開展行星探測的第一步，通過一次發(fā)射實現(xiàn)對火星的“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的先例。?

2020年7月23日，“天問一號”在中國文昌航天發(fā)射場由長征五號運載火箭發(fā)射升空，開啟了奔向火星的征程?！疤靻栆惶枴闭w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”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”著陸巡視器在確定了著陸區(qū)域后，開始著陸。整個降落的過程約需8分鐘，完全靠“天問一號”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”火星車從著陸平臺上行駛下來，開始對火星表面進(jìn)行巡視探測。整個火星車的設(shè)計壽命為90個火星日。?

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

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

“祝融號”火星車帶著6臺載荷。它有一雙“眼睛”，就是一個多光譜相機(jī)。它有一個火星表面成分探測儀，這個儀器可以發(fā)射激光，對它周邊5米—7米的目標(biāo)進(jìn)行物質(zhì)成分探測?；鹦擒嚊]有機(jī)械臂，它就是通過激光進(jìn)行遠(yuǎn)程探測。它還帶著一個次表層探測雷達(dá)和一個火星表面磁場探測儀，可以和環(huán)繞器攜帶的科學(xué)儀器相互驗證。這是“天問一號”的一個重要特點——能夠開展天地協(xié)同的探測。此外，火星車還帶著一個氣象測量儀，找路時可以知道溫度、壓力、風(fēng)速等信息?！白Ｈ谔枴被鹦擒嚳瓷先ズ芸蓯?，實際上它有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器相比，“天問一號”這次去火星時所攜帶的儀器非常先進(jìn)，而且，天地協(xié)同的觀測可以對火星表層和內(nèi)部進(jìn)行全面探測，所以我相信，“天問一號”一定會給我們帶來很多新的發(fā)現(xiàn)。?

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探測火星的四個研究主題?

再來介紹火星的基本情況。?

火星距離太陽比地球距離太陽要遠(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40分鐘?；鹦潜鹊厍蛐?，比月球大，它的質(zhì)量大約是地球的1/10，我們希望通過對它的研究，了解大小不同的天體是怎樣演化的。?

目前，我們對火星內(nèi)部的了解非常少，我們推測它應(yīng)該和地球一樣有地幔、地核。因為火星的大氣非常稀薄，約是地球的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，二氧化碳會凍結(jié)成干冰保存在火星表面。?

火星有一個很大的特點，即南北二分性。火星的整個南半球多是較高的高地，上面坑坑洼洼，說明南半球的歷史比較久遠(yuǎn)。而北半球看起來比較低平，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，因為它的自轉(zhuǎn)軸也有一個傾角，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，在靠近太陽的時候得到的光照和熱量多，在遠(yuǎn)離太陽的時候得到的光照少?；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部分。一是現(xiàn)在的火星，也就是我們現(xiàn)在看到的樣子?；鹦潜砻鎺缀鯖]有液體水，因為壓力和溫度非常低，所以水不能以液態(tài)的形式存在。二是過去30多億年間的火星，我們把它分為亞馬遜紀(jì)和西方紀(jì)，那時候的火星有冰川和間歇性火山活動。三是更早年代的火星。那時候的火星是有磁場的，可能有很多火山巖漿的活動，還可能有海洋，由于外來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，因為地球也有一段缺失的歷史，而火星給我們提供了一個樣本，這也是我們探測火星的原因之一。?

今天，我們探測火星，主要是圍繞四個研究主題：一、火星上到底有沒有生命；二、如果火星的氣候原來和地球一樣，那為什么現(xiàn)在變成了一個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”?

火星一直是一個謎一樣的行星，19世紀(jì)后期至20世紀(jì)前期，“火星運河”“火星人”等一度被傳得沸沸揚揚，當(dāng)時很多美國人認(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”探測器登陸火星連連受挫后，美國啟動了“海盜號”火星探測計劃。?

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

為什么我要重點介紹“海盜號”探測器？一是因為它們是第一個成功著陸火星并發(fā)回大量數(shù)據(jù)和照片的探測器。二是因為它們和“天問一號”非常相像，也是包括一個軌道飛行器和一個著陸器。?

“海盜1號”當(dāng)時著陸的地方叫克里斯平原。為什么要在這里著陸？因為這個著陸地點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”沒有找到水，看到的都是火山形成的巖石?！昂１I1號”和“海盜2號”的著陸器都是不能移動的，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的?！昂１I號”還測量了火星的大氣成分。?

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“海盜2號”降落的地方是烏托邦平原，也就是“天問一號”這次著陸的區(qū)域。它著陸的地方比“天問一號”的緯度更高一些，氣候也更冷一些。和“海盜1號”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，所以有了一個驚喜的發(fā)現(xiàn)。天氣開始轉(zhuǎn)冷的時候，它發(fā)現(xiàn)每天早上火星表面都會出現(xiàn)冰霜。這說明火星的大氣里是有水的，水主要以霜的形式出現(xiàn)。等到太陽出來后，霜就會蒸發(fā)到大氣中去。?

“海盜號”當(dāng)時在火星上做了一些探測生命的實驗。它直接探測火星土壤里的碳，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳的含量非常低。它還做了3組培養(yǎng)實驗，分別在土壤里放入氣體或營養(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，人們對于火星探測的熱忱降低了不少。?

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幾代火星車的探索與發(fā)現(xiàn)?

直到20年之后，才有另一個火星探測器抵達(dá)火星。?

1996年12月4日，美國發(fā)射了“探路者號”探測器，于1997年7月4日在火星表面著陸。它攜帶的“索杰納號”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。它總共移動了100米左右，分析了16個采集的樣品。這些樣品對我們了解火星巖石的成分有很大幫助。?

經(jīng)過前幾次火星著陸，科學(xué)家對火星探測的策略重新做了調(diào)整。2003年，美國“火星探測漫游者計劃”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。?

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

“機(jī)遇號”火星車降落的地方叫子午線高原。根據(jù)遙感推測，這個地方有很強(qiáng)的赤鐵礦的信號，而在地球上，赤鐵礦通常是在有水的環(huán)境下形成的。“機(jī)遇號”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，這說明這個地方原來很可能有水?！皺C(jī)遇號”火星車在著陸點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、地下水的活動痕跡。?

“機(jī)遇號”火星車非常長壽，它的設(shè)計壽命只有幾個月，但實際上它工作了14年，從2004年一直到2018年。?

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

不過，“勇氣號”火星車后來走到一個叫本壘的地方，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，說明這里曾經(jīng)有過熱泉的環(huán)境。此外，“勇氣號”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，這個地方原來也曾經(jīng)是有水的。?

2011年美國發(fā)射的“好奇號”火星車搭載著當(dāng)時最先進(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，因為蓋爾撞擊坑很可能原來是個古湖。?

“好奇號”火星車非常重，有1噸左右，它飛了八個多月后著陸火星。和之前的火星車很不一樣的是，它是靠核能驅(qū)動的，所以它不需要依賴太陽能，這使得它的壽命很長。它有一個很復(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”火星車的一個重大發(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)了一些比較簡單的有機(jī)物。這些比之前的探測都進(jìn)了一大步。?

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火星探測任務(wù)艱巨，未來可期?

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

火星探測的難點有很多，我僅以火星車的輪子設(shè)計為例，來說說火星探測是如何一步步往前發(fā)展的。前面我們講到，火星車的體積越來越大，所以它的車輪也越來越大?；鹦擒嚨能囕啿荒芟竦厍蛏夏菢佑孟鹉z制作，因為橡膠無法適應(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”“勇氣號”火星車都發(fā)生了陷在軟沙里不能動彈的事故，因此后來的“好奇號”火星車專門做了改進(jìn)，增加了抓地力。但是，“好奇號”火星車的輪子又出了問題，被火星上遍地都是的堅硬的巖石戳了許多個洞，破損嚴(yán)重。2021年2月19日著陸火星的“毅力號”，作為美國最新一代的火星車，車輪在“好奇號”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)的一個優(yōu)點是，當(dāng)遇到尖銳物品時，它不會完全變形，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行星探測的未來。我們整個的行星探測被稱為“天問”系列，“天問”系列的任務(wù)包括開展火星探測、火星的采樣并返回以及木星系探測等等?！疤靻栆惶枴笔侵袊行翘綔y的第一個任務(wù)，它的目的地是火星。隨后的“天問二號”“天問三號”不僅有針對火星的，而且還會去其他的行星進(jìn)行探測。未來10年，中國在行星探測領(lǐng)域有很多新的任務(wù)，已經(jīng)列入國家的發(fā)展規(guī)劃。我們的征途是星辰大海，雖然任務(wù)艱巨，但未來可期！