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火星期待中国人久矣
2016-03-15 17:45
作者:郑永春
来源: 特写中国
作为航天大国,中国的火星探测却迟至今年才刚刚宣布启动,看着欧洲、印度纷纷发射火星探测器,我们应该有所思考。

 

我国古代将火星称为“荧惑”,对中国人而言,金木水火土这五颗肉眼可见的行星曾经深刻影响着古人的宇宙观。火星是全人类的火星,火星探测既可以牵引航天技术的进步,有可能获得新的科学发现,还可以极大地提升全民对太空和科学的热情,并转化为科技创新的热情。但作为航天大国,中国的火星探测却迟至今年才刚刚宣布启动,看着欧洲、印度纷纷发射火星探测器,我们应该有所思考。


首先,根据国际深空探测的发展历程,各国一般在开展首次月球探测后的2~3年内即开展首次火星探测。我国火星探测任务的研究和论证大致与探月工程同时开展,但目前距离我国首次探月任务嫦娥一号的发射已经过去9年,我国火星探测才刚刚宣布启动实施。到2021年首次火星探测任务发射,距离我国首次探月已经过去14年,这说明我们深空探测的决策效率有待提高。


我国火星探测任务必须坚持在较高的起点开展,才能尽量缩小与国外先进水平的差距。早期的火星探测大多从环绕探测起步,逐渐发展到环绕和着陆探测相结合,近年来已经发展到以巡视探测为主的阶段。随着我国航天技术的进步和对火星表面了解程度的加深,直接跳过单纯环绕探测阶段,将环绕探测与巡视探测相结合,是我国高起点开展火星探测的理性选择。可喜的是,根据目前公布的方案,我国首次火星任务将一次性实现“绕”、“落”、“巡”三步并作一步走,为我国火星探测后发追赶提供契机。


其次,在火星上寻找生命存在证据最直接、最好的探测方式就是对火星表面的探测。因此通过火星大气进入、下降和着陆等一系列操作,进而接触火星表面成为实施火星探测计划最关键的挑战之一。我国嫦娥三号虽然已经成功着陆在月球表面,并实现玉兔号月球车在月表巡视,但月球没有大气,火星有大气,两者的着陆方式存在非常大的区别,着陆难度也不同。


自19世纪60年代末期以来,人类已进行过40多次火星探测任务,虽然其中一些探测器获得了成功,但也有很多任务却没有成功,问题大多出探测任务的着陆阶段。着陆方式的选择不仅与航天技术的能力有关,也与着陆器或巡视器的质量和工作方式有关。一般而言,质量较轻的巡视器大多采用气囊缓冲方式着陆,有利于火星车顺利驶出气囊开展科学探测;质量较重的巡视器则不宜采用气囊缓冲,避免减速不足导致巡视器及其载荷受损,对这类巡视器目前最先进的方式是空中吊车着陆方式,可以最大程度减少着陆冲击,但该技术对测控、数据传输和自动控制等技术要求较高,技术难度较大。



 

空中吊车释放出尼龙绳,将好奇号火星车吊运到火星表面


再次,工作在火星表面的巡视器、科学观测站都需要轨道器与地球通信,以在任何时候都与地球保持通信联系。因此,对火星表面着陆探测或巡视探测而言,利用轨道器进行通信中继是必不可少的。


NASA和ESA一直致力于建设火星探测中继通信网,用以对各项火星探测任务提供通信服务和支持。从2004年的勇气号、机遇号开始,到2007年发射的凤凰号,再到2012年发射的好奇号,都采用了中继通信。十几年来,美国和欧洲先后成功发射了一系列火星中继轨道器,包括美国的火星全球勘探者号(Mars Global Surveyor,MGS)、火星奥德赛号(Mars Odyssey,ODY)、火星侦察轨道器(Mars Reconnaissance Orbiter,MRO)、以及欧空局的火星快车(Mars Express,MEX)。由于MGS在2006年报废,因而现存在火星中继通信网由ODY、MRO、MEX三个轨道器组成。2013年发射的马文号在完成科学探测任务后,也将提供火星中继通信服务。欧空局的ExoMars 2016任务中的TGO不仅能进行火星大气监测、成分分析等科学目标,还能提供火星中继中继通信服务、计时服务。



 

凤凰号着陆器利用反推火箭实现动力减速,这种方式适用于较重着陆器的着陆,同时可准确选择着陆点


火星探测已经成为我国深空探测的重点,可以预期我国未来的火星探测任务将逐步增多,探测方式将更加复杂,地面和探测器间的通信面临着巨大的挑战,需要功能强大的通信服务支持。美国和欧洲相继发射的中继通信轨道器已经组成了一个国际性的火星中继通信网,用以解决火星探测器通信问题。由于每隔26个月有一个发射窗口,我国首次火星探测任务中的轨道器在完成科学目标的同时,特别应前瞻考虑未来火星探测的中继通信功能。火星中继通信最好能有长达10年左右的寿命周期,使之能提供5个发射窗口内的火星探测中继通信服务。因此,我国未来的火星探测轨道器应追求尽可能长的设计寿命,以服务后续火星探测的中继通信需求。


最后,应加强火星科学研究和着陆关键技术预研。火星探测毫无疑问是一项科学探测工程,科学目标是火星探测最重要的牵引力。我国在火星科学基础研究方面的积累较少,火星科学的研究队伍尚未形成规模,迫切需要重点加强人才队伍建设特别是青年科学家的培养和支持。在科学上,早期火星探测大多以火星全球成像为主要目标,以雷达、高度计、相机为主要载荷,主要目的是积累基础数据,开展火星地质研究,并为后续火星表面探测提供支持。21世纪以来的火星探测主要以火星表面着陆探测和巡视探测为主,火星上的水和生命信号的探测和搜寻成为重点。重点关注的科学主题包括:火星大气中的微量气体(甲烷等)、火星土壤中的有机物、火星次表层的水(霜、露)、火星岩石中的流水作用痕迹等。天体生物学是行星科学的重要组成部分。火星上的有机物和生命信号的搜寻日益成为科学界关注的热点,需重点关注太空生物学探测的有效载荷预先研究和技术储备,吸引生命科学界关注并参与到火星探测中来。


鉴于火星着陆的高难度,建议前瞻性开展关键技术的预先研究,包括:探测器在进入火星大气过程的气动热和热防护研究;火星大气降落伞研制和超音速风洞试验;火星表面精确着陆技术等。

 


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影像的历史和文化
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