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探索 | 上天探“火”60年 面对星辰大海,人类从未退缩
2020/07/21 22:25  交汇点新闻  

  交汇点讯探索精神镌刻在人类的基因中,伴随着整个人类发展史。

  世界航天之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基曾说:“地球是人类的摇篮,但你不能永远生活在摇篮里。”当地球已经不能满足人类探索的需求,神秘的宇宙成为新的目标,而火星,无疑是最吸引地球人好奇目光的那颗星。

  于是,几乎就在人类刚刚有能力挣脱地球引力飞向太空的时候,火星探测器就开始了它的旅程。

  自1960年10月10日第一次向火星发射探测器失败,60年来,人类从未停止对火星的探险脚步。尽管困难重重,但面对星辰大海,人类从未退缩。

  为什么对火星“情有独钟”

  我们为什么如此执着于火星?这或许要从人类的火星情结开始说起。

  在古代,就已经有人用好奇的目光去“打量”火星,肉眼看去,那是一个红色的星球,因为荧荧似火,行踪捉摸不定,我国古人称之为“荧惑”。

  伽利略发明了望远镜以后,给人类仰望星空打开了一扇天窗,人们的视野得以延伸和扩展,从望远镜中去观察火星,人类对这颗星球有了更加直观的认识。

  而随着科学技术的进步,人类不再满足于隔岸观“火”,开始把探索的“触角”——探测器伸向火星。这些探测器,从最初的试探“飞越”火星开始,进一步尝试“环绕”火星,进而“着陆”、“巡视”,甚至打算从火星“采样返回”……

  虽然失败居多,但零星的科学探测数据,给我们带来了惊喜:火星与地球太像了,这颗太阳系中的红色星球,就像是蔚蓝地球的“孪生姐妹”。

  “火星与地球同处于太阳系的宜居带中,是太阳系中除金星以外距离地球最近的行星。”中国科学院紫金山天文台研究员季江徽说,火星与地球有不少相似之处,比如它的行星形态和地球一样,也有一个固体的“外壳”;火星也有公转和自转,它的一天是24小时37分,与地球有着几乎相同的昼夜轮替时间,在火星上看太阳也是东升西落;火星和地球的自转轴倾角非常接近,有着和地球相似的春夏秋冬四季轮换。“所以,如果火星具备人类生存环境,从地球到火星上生活,我们跟在地球上的感受是差不多的。”

  “由于地球资源的问题,火星或许是人类下一个栖息之所。”南京航空航天大学航天学院教授闻新说,在太阳系行星中,火星潜在的“宜居性”是独一无二的。“人们经过航天探索发现,水星是最接近太阳的行星,但是它白天气温高达430摄氏度,更糟糕的是昼夜温差相差近600摄氏度;而金星不仅严重缺氧,大气层还布满了硫酸云,地表温度常年460摄氏度。”闻新告诉记者,除了水星、金星,像木星等其他太阳系行星是气体行星,根本没有外部地壳作为着陆点,站上去会像踩到巨大棉花糖一样直接掉下去。这样一对比,火星就更像一颗温柔可亲的希望之星了。

  火星怎样才能具备人类生存的环境?起码得有充足的氧气和水。有证据显示,曾经的火星很可能和地球一样是个宜居的“天堂”。比如,2008年NASA凤凰号着陆器在火星北极附近的浅层地下挖到了水冰;2018年欧空局火星快车号探测器的雷达数据表明,火星南极冰下很可能有盐水湖存在。科学家们因此觉得,改造火星,让火星再一次变得有适宜的大气、有水,似乎也不是没有可能。“人类要寻找宜居的星球, 目前来看,火星是一个最佳的目标。如果火星上面有水,或者它上面有些物质能够制造氧气,提供氧气,那么我们将来就可以在火星上生存。”季江徽说。

  历史上火星探测器们的命运

  各种科幻电影里,人类把火星当作了移民太空的目的地,《火星救援》中,马特·达蒙甚至已经成功地在火星上种出土豆。然而现实是,对于火星探测,人类才刚刚迈出一小步。

  我们不妨看看历史上火星探测器们的命运。从1960年至今,人类共执行过40多次无人火星探测任务,其中超过半数铩羽而归。

  1960年10月10日,前苏联发射了人类历史上第一个火星探测器“火星1A”号,并在四天后发射第二个火星探测器。然而这两个火星探测的先行者却连火星轨道都没能到达。

  之后发射的几个也都相继失败,直到四年后,美国“水手4号”飞掠火星,从距离火星1万千米处拍摄了火星照片。

  有了成功飞掠的经历,人类不再满足于“惊鸿一瞥”,开始想往火星上送着陆器。1971年前苏联接连发射了两艘去往火星的飞船,分别携带火星2号和火星3号着陆器。可惜时运不佳,火星2号一头扎进了火星上的沙尘暴中,惨遭毁坏;火星3号也在软着陆十几秒后被沙尘暴摧毁了通讯系统。

  1972年,美国“水手9号”飞船沿火星外层空间轨道飞行,成为火星的第一颗人造卫星,并环绕火星轨道进行了长期考察。1975年,美国又发射了海盗1号和海盗2号两艘飞船,成功登陆了火星。海盗1号和海盗2号在火星上并肩作战,将越来越多的图像传回地球,由此揭开了火星的神秘面纱。

  这次成功却并不意味着以后就会一帆风顺,1988年前苏联的火星探测器发射计划和1993年的美国火星观察者号都以失败告终。

  然而人类愈挫愈勇,美国国家航空航天局(NASA)决定更频繁地实施火星任务,于1996年接连发射了火星全球勘测者号、火星探路者号,都获得成功;但紧接着在1998年发射的火星气候探测器和1999年发射的火星极地着陆器,却一个在火星大气层中解体,一个在火星表面坠毁。

  人类探测火星之路,就这样在一次次失败和成功的交替中前行。而即使成功登陆火星,距离移居的梦想也还太遥远。首先科学家还没有解决从火星返回的问题,其次火星环境相当复杂。2003年,美国国家航空航天局向火星发射“勇气号”“机遇号”两个探测器,2004年两个探测器成功着陆火星,然而诡异的是,它们先后在2010年和2018年神秘消失了,不论科学家怎样联系再也没有过消息。

  据统计,目前发射成功且在轨工作的,有美国的奥德赛号、火星勘测号、好奇号火星车、洞察号火星着陆器,欧洲航天局的火星快车,印度的“火星船”火星轨道器,欧洲航天局和俄罗斯的“火星生物学:痕量气体轨道器+着陆验证舱”等。“国际上正在进行的这些火星探测项目,其目标任务有所不同,有的是去寻找生命,有的是去寻找水,有的寻找有机物,还有的是去研究火星的大气。”季江徽举例说,比如“洞察号”就是研究火星的“心跳”地震。而根据不同的任务,它们也有着不同的轨道设计。

  从地球到火星,为何这么难

  由于火星探测计划的高失败率,火星被航天界称为“航天器的墓地”。

  从地球到火星,为何这么难?南京航空航天大学航天学院教授闻新科普道,和月球与地球相隔38万千米的距离相比,火星与地球最近时的距离也要5500万千米,这是与地月距离的一百多倍。“如果用飞行时长来算的话,我们飞到月球需要2-3天;而即便是最佳飞行,从地球飞到火星还需要大半年。”而地球与火星之间最远时的距离,更超过4亿千米,但是,火星探测真正的困难还不在于距离。

  由于地球和火星同时环绕太阳的运行,所以从地球到火星,不能直线飞。闻新告诉记者,从地球到火星,直观上看怎么走都可以。但为了节约成本,目前火星探测器大多都是按照“霍曼转移轨道”飞行,这种变换轨道的方式最省钱,但其中也涉及更多次数、更高精度的轨道修正。

  从地球飞往火星的遥远旅途中,探测器还需经历三个引力场的干扰,它首先脱离地心引力,离地球进入环绕太阳运行的轨道,此时的探测器将以太阳为近焦点做椭圆轨道运动,接着进入火星的轨道,最终进入火星重力场被火星捕获。

  在多少千米距离外,探测器究竟以什么样的刹车减速进入火星轨道?这个速度的控制事关探测器“生死”。“太过快了或者太慢了都不行。” 闻新告诉记者,与月球的不同的是,火星还存有稀薄的大气,这会让飞船面临巨大的阻力。如果探测器没能刹车,速度过快了,就会飞越火星轨道,与火星擦肩而过,迷失在宇宙中,这也是美国和前苏联以前之所以失败多次的主要原因之一;而如果它的速度太慢,又会直接坠毁在火星上。

  进入火星轨道后,着陆火星则被称为“恐怖7分钟”。曾有科学家形象地比喻说,探测器进入火星轨道的难度,相当于从巴黎打一个高尔夫球要正好落到东京的某个球洞里一样。许多火星探测器都在这一阶段功亏一篑。

  闻新告诉记者,火星地形复杂,气流也不平静,最大的威胁是沙尘暴。电影《火星救援》中形象地描述了火星上沙尘滚滚,遮天蔽日的恶劣天气。“一方面,你必须确认探测器的任何一个设备和器件不会在这个环境下发生故障。另一方面,探测器在火星着陆的技术很复杂,每个环节都不能有闪失。”

  深空探测还将走得更远

  虽然道阻且长,人类探测深空的脚步却越走越坚定。

  7月20日凌晨5点58分,日本在种子岛航天中心使用H-2A运载火箭,成功将阿联酋的希望号火星探测器发射升空。按照计划,我国首次火星探测“天问一号”任务以及美国“毅力”号火星车将相继实施发射,奔向火星。

  为何选择此时“扎堆”去火星?因为今年7月底恰逢每隔26个月就会发生一次的“火星冲日”。闻新告诉记者,所谓“火星冲日”,即地球正好在火星和太阳之间,三者成一条线,此时火星和地球之间距离5500多万千米的路程。“这个时候到达火星最省燃料,不容错过。”这样的时机又被称为“发射窗口”,它并不是一个确定的时间点,而是一个时间范围。对于火星探测来说,错过了这个“发射窗口”,就得再等两年零两个月。

  让探测器安全抵达火星已是困难重重,但人类已经在为下一阶段的探索“亲自踏上火星”做准备。2010年时美国就宣布了新的太空探索计划,希望在21世纪30年代中期实现环绕火星的载人航天飞行;SpaceX公司的马斯克(Elon Musk)也宣称 SpaceX可能在2024年将人类送上火星。

  火星究竟是地球的过去,还是地球的未来?“寻找地外生命和研究火星的形成演化过程是火星探测的两大科学主题。”季江徽说,火星表层深处可能存在很多稳定的液态水,研究火星地质、表面成分的长期演变过程,岩石和大气、水的相互作用等,将有助于我们理解火星生命可能存在或消失的原因,为预测地球的未来提供启示。

  “人类不能止步于地球,深空探测我们要走得更远。其实我们人类走向深空的时间并没有太久,我们走得最远的地方也不过如此。太阳系、宇宙如此之大,我们知之甚少,还有非常浩瀚的未知世界等着我们去探索。”季江徽说,作为科学家,对于深空探测最关注的还是最本质的科学问题, 比如宇宙的起源、太阳系的起源、行星的形成等。探测火星,进而探测整个太阳系,去了解太阳系的边界在哪里。生命是不是来自于火星?或者是太来自于太阳系的其他的位置?这些问题都可以通过深空探测去回答。

  交汇点记者 蔡姝雯 杨频萍

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责编:李爽

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