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四問火星探測到底有多難

2019-07-09 10:37:54  來源:新京報

今天(7月8日),中國火星探測又一次引發關注。在山東舉辦的2019軟件定義衛星高峰論壇上,中國科學院院士、中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠在報告中透露:中國將于2020年探測火星。

歐陽自遠表示,此次中國將通過火星衛星、火星著陸器、火星車聯合探測火星,目前火星車已經準備好。

航天專家表示,中國火星探測起步較晚但起點高、效率高。值得注意的是,在首次任務中一次性實現“繞”“落”“巡”三大任務,在航天史上史無前例。

2016年“中國火星探測工程名稱和圖形標識全球征集活動”新聞發布會公布的火星探測器飛行效果圖。

釋疑1:為何選擇明年“探火”?

探火時間有講究,2年一次窗口期。

每隔兩年,全球都會迎來一次火星探測小高潮。

面向2020年,全球多個火星探測器已經整裝待發。航天專家龐之浩介紹,明年可能是史上最密集的火星探測期,已經有5個國家宣布了探火計劃。除了中國,美國計劃發射新型火星探測車,歐空局計劃發射ExoMars火星車,印度、阿聯酋也計劃2020年向火星送出探測器。

這是因為,根據地球與火星位置關系,每26個月火星會有一次距離地球最近的機會,這也是發射火星探測器的最佳時間窗口。在這個時間點發射火星探測器,將節省大量燃料,縮短抵達的時間。2020年就將迎來一個窗口期,大約1個月左右。

“如果沒有把握好窗口,就只能再等兩年。”龐之浩說,美國洞察號火星車原計劃2016年發射,因為一個儀器的故障,不得已推遲到2018年才升空。

歐陽自遠透露,我國已完成火星探測軌道設計、測控通信、自主導航、表面軟著陸等關鍵技術的科研攻關,為我國自主火星探測奠定了技術基礎。

釋疑2:首次“登火”難在哪?

“相當于從巴黎擊出一只高爾夫球,落在東京的一個洞里。”

據相關部門公開信息,中國首次火星探測將實現軟著陸,在火星表面釋放火星車,開展巡視探測。對比嫦娥探月工程,嫦娥一號、二號實施繞月,嫦娥三號才實現軟著陸。我國火星探測則將一次性走完探月的三步。

這在世界航天史上是史無前例的。

龐之浩介紹,在此之前,只有美國在一次火星任務中同時完成“繞”和“落”,歐洲曾兩次嘗試“繞”和“落”,都以失敗告終。而中國計劃在一次火星任務中完成“繞”“落”“巡”三大任務,難度非常大。

據媒體報道,至今全球火星探測成功率大約為40%,火星因此有“航天器墳場”之稱。龐之浩介紹,最危險的環節在于進入火星軌道和著陸兩個階段。

“什么時候‘剎車’進入火星軌道,進入軌道的角度是多少,何時打開降落傘,何時切斷降落傘……每個環節都步步驚心,都需要精準計算、毫秒不差。”龐之浩說,航天器著陸的那7分鐘被稱為“恐怖7分鐘”。

由于信號強度與距離的平方成反比,距離越遠信號越弱,同時地火的距離還帶來至少10分鐘的信號延時,探測器進入火星軌道和著陸的那段關鍵時間,只能依靠研究人員提前輸入的數據,由探測器進行自主判斷。

火星探測與月球探測最大的不同,就在于距離的懸殊。地月平均距離為38萬公里,而地火最近距離為5500萬公里,最遠為3億~4億公里,這對測控能力有極高的要求。有人比喻,讓火星探測器精準著陸,相當于從巴黎擊出一只高爾夫球,落在東京的一個洞里。

面對探火的種種難度,中國已經做了大量準備工作,數次成功的探月任務也奠定了重要的技術基礎。首先,發射火星探測器需要大推力運載火箭,我國長征五號火箭已經具備這樣的能力;其次,針對超遠距離的測控,我國已經建成深空測控站,并在嫦娥二號拓展任務中實現了超過1億公里的測控;再次,探月取得的成功,幫助中國在著陸、巡視技術等領域奠定了基礎。

“中國火星探測起步較晚,但是起點高,所以效率也會比較高。雖然很難,還是有信心的。”龐之浩說。

2016年“中國火星探測工程名稱和圖形標識全球征集活動”新聞發布會公布的火星車與著陸巡視器外觀設計構型圖。

釋疑3:中國首次探火要做什么?

探測火星過去、現在的生命信息。

中國火星探測器去火星肩負了什么任務?歐陽自遠表示,火星探測的科學問題主要有三個方面:其一是探測火星上的生命活動信息,包括火星上現在生命的信息、過去是否存在過生命、火星生命生存的條件和環境等。

其二,是火星本體科學的研究,為研究火星積累資料,主要包括火星磁層、電離層與大氣層的探測與環境科學,火星地形地貌特征與分區,火星表面物質組成與分布,地質特征與構造區劃,火星內部結構、成分、內稟磁場探測等。

其三,是探討火星的長期改造與今后大量移民、建立人類第二個棲息地的前景,為人類社會的持續發展服務。

歐陽自遠說,火星表面有很多古河床,證明以前有河流,然而如今表面沒有天然水存在,中國將探測火星地下水的分布。

中國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋此前曾介紹,首次火星探測任務要探測火星的形貌、土壤、環境、大氣,研究火星上的水冰分布、物理場和內部結構。

釋疑4:移民火星要過幾重關?

需核動力火箭、中轉站、環境改造,等待革命性技術。

隨著SpaceX創始人埃隆·馬斯克對“移民火星”不遺余力的宣傳,這個科幻命題似乎已經觸手可及。

但在龐之浩看來,移民火星非常困難,載人登陸火星都還沒有實現,移民火星僅停留在構想階段。

載人登陸火星目前還面臨著技術難題。由于飛往火星單程至少7個月,要攜帶大量的生命保障資源,需要更強大的火箭和飛船。對執行任務的航天員來說,長期飛行會導致肌肉萎縮、骨質脫鈣,輻射也會對身體造成影響。

宇航界有人提出利用核動力火箭,有可能解決這些問題。龐之浩說,目前常規火箭飛行速度為每小時2萬公里,而核動力火箭能達到8萬多公里,一兩個月就能到達火星,“但核動力研制難度很大,人類想在2030年代登陸火星,都是很難的事情。”

除了運輸工具火箭,人類登陸火星或許還需要一個中轉基地,月球正是最佳選項,這就需要事先進行基地建設。此外,移民前還需要改造火星,將火星改造為適宜大量人口居住的環境。

“現在討論火星移民有點太樂觀,需要技術的革命性進展。有人說,樂觀地看需要100年,不樂觀的話需要800年。”龐之浩說,但現在開始構想也是非常必要的,因為未來地球或許會面臨人口爆發、資源枯竭、地外天體撞擊等威脅,太空移民事關人類生存。

2016年“中國火星探測工程名稱和圖形標識全球征集活動”新聞發布會公布的火星車與著陸巡視器外觀設計構型圖。

【背景】

中國2020年、2028年前后將兩次探火

中國2020年探火,這一計劃已非首次披露。

去年9月,在首屆世界公眾科學素質促進大會“太空探索與人類未來”分論壇上,國家航天局系統工程司司長李國平就曾“官宣”,我國將在2020年和2028年左右進行兩次火星探測,后一次將采樣返回。

李國平說,我國深空探測工程初步明確了四次任務。第一次任務是火星探測,計劃在2020年7月份發射火星探測器,預計經過10個月的飛行,2021年到達火星,著陸火星表面并進行巡視探測。其后,計劃2028年左右進行第二次火星探測任務,并采集火星土壤返回地球。

去年,作為探火工程的火箭、探測器系統研制方,中國航天科技集團也公布計劃,未來3年將實施我國首次火星探測,主要內容為無人火星環繞和著陸巡視探測。

最新消息為今年4月18日,新京報記者從2019年月球和深空探測國際學術研討會上獲悉,我國嫦娥五號、嫦娥六號和中國首個火星探測器等重大工程任務目前正組織開展。

中國航天科技集團所屬中國空間技術研究院在會上介紹,該院正組織開展以上重大工程任務的研制,并將發揮航天工程技術能力優勢,支撐國家各級主管部門加快推進無人月球科研站、小行星探測、火星和木星系探測、太陽系邊際探測和行星際探測等一系列后續重大項目的規劃及實施。

另外,我國還計劃進行小行星探測,在2030年前后開展木星系探測和行星系探測。

新京報記者 倪偉 編輯 陳思

校對?范錦春

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