中国2020年首探火星!星辰大海才是我们的征途!

中国2020年首探火星!星辰大海才是我们的征途!
2019年07月10日 14:01 科学大家

  出品| 5分快乐8客户端《科学大家》、墨子沙龙

  撰文| 舒嵘 中国科学院上海技术物理研究所副所长、研究员

  科学家眼中的火星

  火星是太阳系八大行星中第四颗,是一颗类地行星。古时候,中国人一直称火星为荧惑星,意味着莹莹火光,离离乱惑之意。在西方一直用古希腊神话传说中英雄名字命名火星。真实的火星是什么样子的呢,在人造卫星上看,火星上面既有像沙漠、像流过河流的戈壁滩,也有山丘等地貌。火星上的河流是没有液态水的,但是在火星南北极下面有大量冰川地下水。

  火星的地质情况跟月球是非常接近的。火星的大小介于地球和月球之间,重量大约是地球的十分之一,体积相当于地球的六分之一。在火星上一年大约相当于地球上两年。

  我们都非常想知道地球的过去与未来。有一门学科叫比较行星学,通过比较八大行星中其他行星演变的情况来看地球的过去跟未来。在约45亿年前,宇宙形成的初期,火星和地球是一样的,它的表面也是有流水,到了30亿年前左右,地球上出现了光合作用,产生了生命。火星到后面水消失了,变成了一个又冷又干的星球。所以探索火星的气候变化以及地质的演化,对于保护地球,拓展我们人类生存的疆域,有非常重要的意义。火星是我们整个深空探测领域,除月球以外的第二个重要研究的星球。

  科学家想要看火星的什么?要从三个方面看:生命、气候、地质。

  我们先要知道,在火星上面是否有过生命的出现,有没有生命的一些痕迹。第二个方面,因为火星上是有大气的,了解火星气候演变的过程以及历史很有意义。另外是研究火星表面和地质演化的过程,可以更好地帮助理解地球的早期演化历史和生命的起源。

  火星探险

  整个深空探测都是在科学目标牵引下,实现探索与技术相结合。

  记得当时做嫦娥项目的时候,欧阳自远院士说过一句话,如果科学家把探索的目标想清楚了,在技术的支撑下,才能实现这些科学的梦想。实际上国际上的科学界,对宇宙的探索也是走的这样一条路。

  火星探测风险是很大的,我国2020年要发射一颗火星探测器。但实际上在2011年,我们跟随俄罗斯的福布斯-土壤探测器已经搭载过一颗火星探测器,这颗火星探测器是由上海航天八院研制的,很不幸这个发射器升空以后,由于俄罗斯人过早的把计算机系统转入自动的导航模式,结果由于里面的软件有点bug,导致探测器没有脱离地球轨道,变成了地球上的一颗卫星,而且轨道不高,所以抢救了几个月以后,这颗卫星最后坠入大气层就毁掉了。从整个世界来说,火星探测的成功概率不到50%。

  2020年中国第一次用全新研制的长征五号火箭,要一次实现绕、落、巡这三个目标,难度非常大。美国的海盗1号和海盗2号,在1976年第一次成功进入火星轨道,降落到火星上去。目前火星探测以美国为主,然后是欧盟ESA、日本,我们也期盼着,2020年以后中国的火星探测越来越多。

  从上面的图中可以看到,围绕着水的寻找,人类从环绕器的三个探测器加上“机遇号”火星车,开展了很多研究工作。围绕着可居住性发射了轨道探测器、微量气体探测器以及“好奇号”火星车,进行了各种探测活动。最近一次人类成功在火星上降落的是“洞察号”火星着陆器,它是研究磁场和大气是怎样的情况、多久消失的,另外还要进行类地行星的研究。

  无论是NASA、ESA还是中国,着陆器或者火星车,其实都是要研究可居住性和生命的痕迹。目前已经做了寻找水的探险,水是肯定有的,但是水不在表面,在火星表面的下层,这点在目前科学研究成果中是百分之百确定的,因为在火星上既发现了水流的痕迹,还测到氢的元素。第二个是可居住性,火星上二氧化碳、水这两个元素比月球环境要好很多。第三个方面,火星过去到底有没有生命存在,这个研究做的比较少。

  探索火星的挑战

  我们要去火星的探险和月球的探险有很大的区别。

  第一个,火星距离很远,最远超过4亿公里,近的时候约是5500万公里,一般选择在大约8000万公里的距离发射探测器。第二个是温度,到了晚上会非常冷,达到零下143摄氏度,白天最热的地方在赤道附近,也就是35摄氏度左右。另外大气非常稀薄,而且还有沙尘暴。

  围绕这三个特点,工程师怎么解决呢?

  不是每时每刻飞去火星都是适合的,因为我们要找一个距离合适的时间,每隔26个月有一个火星发射窗口。我们国家本来在2018年准备发射一个火星探测器的,但是由于种种原因没有搞成,后来就拖到2020年。2020年的夏天,无论是欧洲、美国还是中国,都将往火星发射自己的探测器。飞到火星要花7个月的时间,从地球去月球只需要9天。在火星上要10多分钟才能把一个信号传输回来,而且信号传输的速率是很低的,我们已经用上了5G,速率非常高,但是火星到地球也就是百k量级的比特,低传输效率限制了科学的探索。

  落到火星上以后面临三个挑战。

  第一是沙尘暴,沙尘暴来了以后,火星车必须要把自己保护好,否则整个仪器会被掩盖掉。而且沙尘暴来了以后,太阳能帆板上面的沙尘会降低能源的转化效率。

  第二是光照问题,因为火星离太阳很远,在火星上接收到的太阳光能量只有月球表面的40%。我们国家的月球车是两块帆板,但是我们的火星车要由四块帆板构成的,这样才能能量保持大致相当。

  第三是火星上的重力,月球的重力只有地球的六分之一,但是火星重力没有那么小,在火星上面要跑同样重量的火星车,需要的能量也比月球上要高。这三个问题给火星车的应用带来了一些新的问题。

  我们要去火星上的一个地方,首先要去选择着陆点,这是非常重要的,先从工程上来说,既不能是孤岛,又不能是陡坡,还不能是非常软的地方,不能让火星车下去就无出路、倾倒、或陷进去;另外,因为火星上有高山、峡谷,不能进去以后把太阳挡住了,没有光照就没有能源;而且还要考虑到通讯,从科学家的角度,非常希望去的位置有很好的科学研究价值。

  下图是美国NASA七次火星探测的着陆点,大家可以看到2020年中国预定着陆区是在这两个地方(红色标记),为什么要选两个预定着陆区?因为火星上有不确定的大气流和风暴,我们要根据实际情况来进行降落。左边的降落区的好处是我们会跟美国NASA的着陆点比较接近,大家都会在一块大的区域来共同对火星表面进行探索和研究,科学数据可以进行国际化的共享。

中国2020年预定着陆区中国2020年预定着陆区

  着陆过程是最惊心动魄的。我们中国月球探测30分钟叫“黑色30分钟”,在火星上有“恐怖7分钟”,目前在国际上有三种降落方式,一个叫气囊式,“勇气号”、“机遇号”都采取了这种方式——一个气囊下来以后弹跳,最后用不倒翁的原理打开,保证火星车从里面出来。第二种方式是支架式,相当于有四条腿,像一张桌子一个板凳一样下去,当然先是降落伞,因为有大气所以都要用降落伞,区别在于靠近火星表面的时候。第三种是起重机天抓式,由于火星表面的各种坑、石头特别多,支架式落在石头上会翻身,那车就要翻掉了,所以采取了一种像直升机一样,可以把火星车放下来,上面的着陆器平移,来找一块相对平坦的区域。

气囊式着陆气囊式着陆

  我们国家的方案是什么?由于我们必须自力更生,所以我们也进行了创造。

  我们把支架式和起重机天抓式相结合。我们的着陆器也是有四条腿,也有降落伞,但是我们四条腿的着陆器自身具有避障的模式,可以自主避障平移。这项技术是在探月工程里面来做的,探月工程着陆器在100米悬停的时候,在50×50米的区域,可以在250毫秒内对月表区域进行三维拍照,然后找一个平坦的区域平移降落下去。嫦娥四号能够成功的落在月球的背后,月球背后的情况我们事先并不知道,因为月球背后陨石撞击坑非常多,由于有了这项技术,地形不管多么复杂,都可以进行自主避障。2020年中国火星探测计划,用了嫦娥奔月的技术,再加上载人航天返回大气层的降落伞减速两项技术的结合。

  火星表面的元素探测

  NASA“好奇号”上面搭载了α粒子X-射线光谱议,用激光枪击打物体的表面,做岩石矿物质成分的测量,主要来确定是否有水,是否有适合于生命存在的环境。中国的“玉兔一号”月球车跑了没多少米,“玉兔二号”到目前就跑了100多米。在火星上跑的时间最长的火星车已经有六年了,就是NASA “机遇号”火星车,它跑了45公里,在遭遇一次巨大的沙尘暴以后,最后宣布它的任务终结。

NASA机遇号火星车NASA机遇号火星车

  我们国家的着陆器上面搭载了很多设备,一共有30公斤的有效载荷。我们课题组研究的是物质成分探测仪,在上面占了16公斤,个头非常大。其他的还有导航相机,气象站等一些测量设备。

  物质成分探测仪是用来做什么的?它是用激光聚焦石头局部,气化产生等离子体(等离子体是原子里的外层原子摆脱原子核束缚成为自由电子,是一个电离的过程),等离子体在冷却过程中会辐射出原子光谱,原子光谱代表这个元素的“指纹”。只要能测到等离子体冷却过程中产生的光谱曲线的位置,就能知道它代表什么元素,信号的强度能够反映元素的含量。这就是激光诱导等离子体光谱技术。元素周期表里面绝大部分元素都能测,一次激发就能同时探测多种元素。

  除了用激光激发物体元素以外,还有被动的短波红外光谱测量。被动的短波红外光谱测量通过光谱分析进行分子层面的测量,可以测化合物的成分。

  这个仪器上面有一个二维指向镜,可以摇头摆尾到处看。我们的月球车上面的光谱仪装在车上动不了,最后是车到哪里只能看哪里,玉兔一号的车轮子坏了停在那里,最后只能永远看一个地方。我们在火星车上面弄一个可以动的镜子,这样哪怕火星车不动了,还可以到处看。这个黑色的里面是一个望远镜系统,里面还有激光器,最后有个定标板。跟美国相比我们少了一个拉曼测量的功能。

中国的着陆器与火星车中国的着陆器与火星车

  火星探测是由环绕器与火星车相结合,我们要进行星地的联动探测。也就是说在环绕器上还要再装一个光谱议,和火星车上的主被动结合,两个进行比对测量。在环绕器上装了一个火星矿物光谱分析仪,是一台推帚式的分子光谱探测设备。这个光谱探测设备能够提供多个波段的光谱信息,还有一个图像信息。

  光谱测量能发现什么?我们以嫦娥四号为例说明。假如说月球是个白煮蛋的话,蛋白里到底装了什么?实际上大型的固态天体都存在这样的问题。科学家假设月幔和地幔是一样的,那么里面应该有橄榄石存在。嫦娥四号的着陆点非常巧,首先我们选择了一个艾特肯盆地,这是最古老的撞击盆地之一,同时落的那个地方冯·卡门撞击坑是个二次撞击坑,所以它有机会通过陨石的撞击,把月幔里深层的物质抛射到月球的表面。也非常巧,玉兔二号正好降落到了这个区域,通过对两个探测点土壤的光谱探测,获得的数据显示嫦娥四号着陆区的月壤物质中,橄榄石相对含量是最高的,低钙辉石次之。我们在实际数据采集上面第一次证明了科学家的预测,有新闻称中国发现了美国阿波罗计划都没有发现的一个新的科学发现。

  我国的深空探测

我国深空探测规划我国深空探测规划

  我国在2020年前已经通过嫦娥一号到嫦娥四号以及今年的嫦娥五号的发射,将实现对月球的“绕”、“落”、“回”第一个三部曲。在2020年以后2030年前,我们国家将要进行月球南极极区资源的开发利用。上个月特朗普给美国NASA增加16亿重返月球的经费需求,在2024年前美国要重返月球,要把第一个女宇航员送到月球,送到月球的南极极区。

  为什么要去极区?在月球的极区,由于是永久阴影区,外来陨石带来的水都储存在那里,没有挥发掉,是固态水,所以大家都想到极区建一个永久的实验站,在那里能够支持我们的基本物质需求。我们国家在2030年前要实施月球极区资源开发利用实验,中间要有好几个实验,我们要去探测月球南极,然后再降到月球南极,再把无人的装备装上去,在2030年之前主要还是进行无人的科学考察,但是在后期会考虑有人的实验。

  第二条线就是在深空探测这条线,我们不能只关心月球,月球离地球太近了,火星是最适合改造成人类居住的星球,所以我们在2030年前还有两次火星的探测任务,还要把火星的样本从火星带回地球。还有一个就是小行星,小行星带是阻碍地球冲出太阳系的障碍,但是小行星带富含资源。打个比方,铂金是非常贵重的,但是科学家经过远距离天文观测,认定有个别小行星全是铂金,如果全是铂金的小行星被拖回地球的话,可能咱们的戒指都不值钱了,而且有的小行星还富含水,所以小行星探测、采样是目前深空探测的热点,日本在这方面做的比较好。我们国家在2030年前应该有一次小行星的探测计划。

  另外我们有个梦想,就是要飞出太阳系,我们要进行一次木星穿越。《流浪地球》里面把木星炸了,我们在炸之前先要看一看,然后穿越木星,看看太阳系的边缘。这个是我们国家在2030年前的三个重要的深空探测计划。

  我们中国人在航天技术方面,是个后起者,东方红一号,1970年发射到现在短短的50多年。但是近些年随着深空探测整个计划的发展,我们中国人走向宇宙的号角也越来越响了。

  我想人类探索未知的愿望,有非常大的激情。宇宙到底是怎么起源,怎么消亡的,我想无论结果如何,人类的勇气和坚毅都将被镌刻在星空下。

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