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天問一號登陸火星,居然有些地方超越了美國

汽車公社

北京時間2021年5月15日早晨,經(jīng)過長達296天的漫長星際旅行,天問一號向火星表面投下了其著陸器部分。7點18分,攜帶著“祝融”火星車的著陸器器,成功降落在了火星北半球的烏托邦平原之上。

此時此刻,中國成為了繼美國之后,第二個采用著陸器成功登陸火星,并將巡視器送上火星表面的國家。

為什么要選火星?

作為太陽系內(nèi)軌道順位第四的行星,火星被歸類為“類地行星”范疇。

“類地”即類似于地球之意。類地行星表面以硅酸鹽化合物為主要成分,通常會有一個以固態(tài)物質(zhì)為主的表面,而在類地行星內(nèi)部,通常會有一個主要成分為鐵的金屬核心。


太陽系四大類地行星,左起分別為:水星、金星、地球、火星

在太陽系中,地球有金星與火星兩個同屬類地行星的近鄰,這兩顆行星又分別有著“地球?qū)\生子”和“小地球”的雅號。自科學(xué)啟蒙時代,人類將視線轉(zhuǎn)向星辰以后,這兩顆距離地球最近的行星,一直被視為我們沖出搖籃邁入星空探索新家園時,兩個最具可能性的選擇。


前蘇聯(lián)金星13號探測器拍攝的金星地表。這枚探測器為了能在險惡環(huán)境內(nèi)工作,使用了大量昂貴材料。可即便如此,在金星表面那宛如地獄的環(huán)境中,運行不足半小時,便出現(xiàn)了故障,并于2個小時后完全失聯(lián)

“地球?qū)\生子”金星,無論直徑、質(zhì)量,以及表面濃密的大氣層,都高度近似地球。然而它卻是不折不扣的“邪惡雙胞胎”。金星大氣層中的二氧化碳濃度高達96.5%,存在極其嚴(yán)重的溫室效應(yīng),表面溫度最高可達467℃,甚至超過了鉛(327°C)、錫(232°C)、鋅(420°C)等金屬的熔點。當(dāng)前乃至中遠期可以預(yù)見到的技術(shù),都不足以支持人類登陸金星展開探索甚至殖民活動。

相較之下,火星就溫和了許多。

其直徑約為地球的一半,自轉(zhuǎn)軸傾角、自轉(zhuǎn)周期則與地球相近?;鹦堑拇髿獾闹饕煞蛛m然也是二氧化碳,但卻非常的稀薄,密度僅為地球大氣的1%,所以并沒有類似于金星表面那種恐怖的高溫。其表面平均溫度為-63℃,雖然嚴(yán)寒,但卻算不上極端。


整個太陽系最大的火山,同時也是最高的一座山——海拔達到26公里的奧林匹斯火山。與它相比,地球上的一切山峰都是“侏儒”

火星不但有著太陽系內(nèi)最高也是最雄偉的火山奧林匹斯山,同時還有這迄今在太陽系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最壯觀的峽谷水手谷。在其兩極,也存在著會隨季節(jié)消長,類似地球兩極冰蓋一樣的“極冠”構(gòu)造。根據(jù)環(huán)繞火星的探測器分析,主要成分是干冰和水冰。2015年,NASA甚至宣布在火星表面發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水的存在。


紅框部分便是水手谷,得名自美國的水手9號火星探測器,是火星乃至太陽系內(nèi)最大的峽谷。根據(jù)后來多個探測器的測量,水手谷前后延展了超過4500公里,最寬處有600公里,最深則達到了8公里。與其相比,地球上最壯觀的雅魯藏布大峽谷,仿佛一條微不足道的小裂痕。圖片頂部的白色冠狀部分,就是火星著名的“極冠”,推測主要成分為干冰和水冰。這種“極冠”在火星的南極部分同樣存在

種種跡象表明,如果人類想要沖出地球殖民外星,火星是迄今為止唯一可行的目的地。

天問一號任務(wù)

實際上,天問一號并不是中國首個火星探測器。2011年11月9日,其前輩“螢火1號”探測器,因俄羅斯“天頂”號運載火箭發(fā)射失敗,墜毀在太平洋上。


俄羅斯的福布斯-土壤火星探測器與“螢火1號”組合體。圖片正中框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的部分,便是我們的“螢火1號”

2016年1月,我國啟動自主火星探測項目,要求通過一次發(fā)射任務(wù),實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視。天問一號就是基于該項目而研制的。


嚴(yán)格來說,天問一號其實是一個火星探測器組合體,由一部軌道飛行器、一個著陸器,以及搭載在著陸器上的火星車構(gòu)成。其中執(zhí)行巡視任務(wù)的火星車,被單獨命名為“祝融”。由于構(gòu)造復(fù)雜,并搭載有獨立的降落器與火星車,天問一號全系統(tǒng)的總質(zhì)量超過了5噸,成為了迄今為止中國研制并發(fā)射的最大型深空探測器。


天問一號軌道器部分,攜帶設(shè)備包括:中、高分辨率相機,火星磁強計,礦物光譜分析儀等。

不但要對火星表面進行系統(tǒng)性拍攝成像,繪制出屬于我國的完整火星表面圖,同時還要求對火星表面地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造展開研究,探測火星空間磁場環(huán)境,分析火星礦物組成與分布,研究火星整體化學(xué)成分與化學(xué)演化歷史,分析火星資源與資源帶分布區(qū)等等。


圖片來源見右下角水印

巡視器“祝融”重約240公斤,安裝有多種探測設(shè)備。其技術(shù)傳承自此前成功巡視月球表面的“玉兔”系列月球車,但較之“玉兔”系列重了一倍。

天問一號作為一個整體,正如其立項時描述的那樣,探測任務(wù)包括環(huán)繞、著陸和巡視。換而言之,環(huán)繞探測是它的第一階段工作。


天問號自2020年7月23日發(fā)射,至2021年2月抵達火星前的地火轉(zhuǎn)移軌道

2021年2月10日,天問一號軌控發(fā)動機在環(huán)火星軌道遠地點啟動,將軌道由環(huán)繞火星赤道運行,變軌至垂直于赤道的火星太陽同步軌道。同時,通過對發(fā)動機的精確控制,探測器也將近火點位置,調(diào)整到了預(yù)定著陸的烏托邦平原所在的火星北半球低緯度地區(qū)。


2月24日,天問一號進一步“圓化”軌道,更加貼近火星表面,進入“停泊軌道”飛行,并在這條軌道上穩(wěn)定運行了兩個半月。期間,使用搭載的各種照相設(shè)備,對火星表面進行了全幅拍攝,同步也對預(yù)定著陸區(qū),進行了異常詳細的勘察。

自2月末到5月初,天問一號“繞”的任務(wù)基本宣告完成,中國航天局拿到了較高分辨率下整個火星表面的照片,初步完成了從軌道上對火星表面的礦物分布帶分析。此外,經(jīng)過為期兩個半月的調(diào)試,探測器上搭載的各種設(shè)備,也進入了最佳工作狀態(tài)。釋放著陸器降落火星表面的時機,宣告成熟。

為什么選擇降落烏托邦平原?

烏托邦平原是火星上最大的一塊相對平坦地區(qū)。


由美國的海盜2號探測器拍攝的烏托邦平原景象

冷戰(zhàn)期間,美蘇展開激烈的太空競賽,競相發(fā)射探測器巡視火星。隨著對這顆紅色行星認(rèn)識的加深,許多火星地標(biāo)逐漸被公眾所熟知。其中就包括奧林匹斯火山、水手谷、烏托邦平原等。

在著名科幻系列作品《Stat trek》中,火星上的烏托邦平原是星際聯(lián)邦的主要造船基地。聯(lián)邦在烏托邦平原表面以及其上方的同步軌道上,設(shè)有多個造船廠。該系列作品中著名的“進取D”號、“勇抗”號以及“航海家”號星艦,均被設(shè)定為在此下水。


紅框位置為本次“麒麟”降落的大致區(qū)域

當(dāng)然,天問一號會選擇烏托邦平原釋放著陸器,和《Stat trek》并沒有關(guān)系。之所以選擇那里,一來是因為地勢平坦有利于安全著陸;二來是因為烏托邦平原上確實有值得一看的內(nèi)容。

現(xiàn)在的研究認(rèn)為,火星于十?dāng)?shù)億年以前,曾經(jīng)有過一個“濕潤時期”。地勢平坦且低洼的烏托邦平原,自然成為了火星上最有可能流淌著大量液態(tài)水的區(qū)域,是火星探測理所當(dāng)然的熱點區(qū)域。


火星很可能存在過一個水分充沛有著藍天和白云的“濕潤時期”。直到今天,火星上很可能仍存留著大量的水

另外,在烏托邦平原上降落,已經(jīng)被證明是可行的。因為早在1976年9月3日,美國發(fā)射的海盜2號探測器著陸器部分,正是降落在該區(qū)域的中心地帶。

天問一號去火星,主要研究些什么?

天問一號攜帶的中、高分辨率相機,其用途毋庸諱言,就是去拍攝整個火星表面高分辨率照片,繪制完整的火星表面圖的。至于礦物光譜分析儀,相信也不用詳細解釋。但是有很多朋友,可能對于上面提到的這個“火星磁強計”會產(chǎn)生困惑——這個設(shè)備到底是用來干嘛的?

磁強計是設(shè)計用來測量磁感應(yīng)強度的儀器。安裝在天問一號上的火星磁強計,其主要任務(wù)包括:全面測量火星空間邊界層,探測火星南部局地巖層的剩磁及火星感應(yīng)磁層,研究近火空間處的行星際等離子體和行星際磁場,同時還會結(jié)合其他載荷儀器對火星大氣中的粒子逃逸等問題開展研究等。


所謂太陽風(fēng),是恒星在聚變反應(yīng)時噴出的高能帶電粒子流,能夠直接吹散行星表面的大氣層。而具備液態(tài)金屬內(nèi)核的行星,在自旋時會產(chǎn)生很強的地磁場,可以屏蔽絕大部分太陽風(fēng),保護大氣層的穩(wěn)定

由于火星沒有類似于地球那樣的金屬液態(tài)地核,其核心在十?dāng)?shù)億年前已經(jīng)逐漸冷卻,所以火星的地磁強度遠不及地球,無法有效屏蔽長驅(qū)直入的太陽風(fēng)侵襲。

其后果就是,火星曾經(jīng)有過不輸于地球和金星的濃密大氣層,但在十?dāng)?shù)億年太陽風(fēng)持續(xù)不斷的侵襲之下,如今這個大氣層已經(jīng)變得極其稀薄。所以,詳細研究火星的磁場數(shù)據(jù),將有助于我們了解火星環(huán)境演變至今的整個過程。

至于“祝融”,其作為一臺巡視器,主要的任務(wù)正如字面上的意思——去看一看,“巡視”一番。


去年,當(dāng)官方公布“祝融”巡視器細節(jié)時,許多網(wǎng)友因為其沒有安裝機械臂而感到沮喪。因為機械臂是進行表面采樣,并進行成分分析所必備的。然而,為此感到沮喪,實在大可不必,因為“祝融”不需要進行采樣就能夠完成成分分析工作,因為它只需要“看看”就能懂。

做到看一眼就懂的關(guān)鍵,是“祝融”搭載的微成像相機、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀。

微成像相機用來觀察火星表面沙石的微小細節(jié),精度可達微米級。而激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀,是一種主動探測裝置——通過射出激光束燒灼周圍的泥土和巖石使之形成等離子體,然后啟動短波紅外光譜顯微成像儀分析器來分析其所含成分。其效率遠超機械臂采樣分析方式。


激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀工作狀態(tài)效果圖

而微成像相機、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀的組合,結(jié)合“天問一號”軌道器搭載的礦物光譜分析儀,可以從宏觀和細節(jié)兩個角度,對火星的成分以及礦物分布,進行系統(tǒng)性的考察。

截至“祝融”降落火星表面,迄今為止世界各國總計進行過47次火星探測任務(wù)。其中美國21次、蘇聯(lián)/俄羅斯19次、歐洲2次、日本1次、印度1次、阿聯(lián)酋1次、中國2次。

火星探測絕非易事,在所有47次任務(wù)中,有20次完全失敗、7次僅部分成功,完全成功的僅20次,成功率不足43%。

其中,蘇聯(lián)/俄羅斯的火星任務(wù)幾乎如同“中邪”一樣,至今未能實現(xiàn)哪怕一次完全成功。而美國,也是在付出多次失敗后,才于1975年8月20日,由海盜1號(Viking-1)探測器率先實現(xiàn)了在火星上著陸的目標(biāo)。至于首次將遙控巡視車送上火星,則要等到1996年12月4日的火星探路者任務(wù)(Mars Pathfinder)。


迄今為止美國送上火星的三種巡視器。從小至大分別為火星探路者號攜帶的Sojourner火星車、勇氣/機遇號、毅力號?!白H凇贝笾屡c勇氣/機遇號相當(dāng)

所以就此一點而言,中國首次獨立展開火星探測任務(wù),即實現(xiàn)了環(huán)繞和成功著陸火星的目標(biāo),堪稱是一項了不起的成就。

“天問”這個名字,取自屈原的長詩《天問》。該詩從天地離分、陰陽變化、日月星辰等自然現(xiàn)象,一直問到神話傳說乃至圣賢兇頑和治亂興衰等歷史規(guī)律,象征著我們自古以來,世世代代追求真理的探索精神。

而天問一號所執(zhí)行的,就是這樣一個探求地外星球真相的偉大任務(wù)。但這個任務(wù)并不以一號探測器的使命為終。因為火神“祝融”所代表的,只是這個系列探索任務(wù)的火星部分。

所謂“星辰大?!?,在今日的中國并非一句空泛的口號。自我國啟動載人航天工程以來,中國人正在一步一個腳印,向著地球以外的星空邁出自己的腳步。在這個載人航天工程“三步走”規(guī)劃逐漸邁向尾聲的今天,確定我們下一步的探索方向,也正逐漸被提上議事日程。


今日,隨著“祝融”的著陸,天問一號的任務(wù)已經(jīng)成功過半。而現(xiàn)在最值得期待的無疑是,天問二號乃至天問N號,將航向何方?


來源:汽車公社

本文地址:http://ewshbmdt.cn/news/qiye/146955

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