“祝融号”着陆:中国正式入局火星探测

时间:2021-12-24

彭丹妮

5月19日,中国国家航天局发布天问一号任务探测器着陆过程两器分离和着陆后“祝融号”火星车拍摄的影像,图像由火星车前避障相机拍摄,正对火星车前进方向。图中可见坡道机构展开正常;图像上部的两个伸杆为已经展开到位的次表层雷达;前进方向地形清晰。图/中国国家航天局

5月22日,国家航天局发布“祝融号”火星车携带的前避障相机和后避障相机拍摄的驶离着陆平台过程,这些最新的火星表面影像,让全世界共同见证:“祝融号”终于踏上“荧惑”,开启巡视探测之旅。至此,中国已成为美国、俄罗斯以外,世界上第三个实现登陆红色星球的国家。

1962年9月,肯尼迪发表了一段被后来人称之为“月球演说”的演讲。在这次演讲中,他放出豪言壮语——美国要在20世纪60年代结束前把人送上月球,這被看作美苏月球竞赛的挑战书。

2010年,在肯尼迪航天中心的一次演讲中,奥巴马宣布,美国要在2030年代将宇航员送往火星。他说,“我们已经为美国太空事业的下一篇章设定了一个明确的关键目标。”

奥巴马的“火星演说”标志着人类对火星的探索进入了一个新的时期:亦即载人登火。但彼时,中国尚未真正意义上地参与过火星探测。这一年,孙家栋、戚发轫、龙乐豪、徐匡迪等八位院士聚在一起讨论,希望尽早开展火星探测工作,国防科工局随即开始组织相关的论证。

国家航天局原局长栾恩杰曾在2016年撰文写道,中国原本有能力在2013年实现火星探测,但由于多种原因,当时没能实现。“但人类探索火星的第三个时期我们赶上了,我们不应失去这个机会。”

在2020年7~8月的火星探测窗口,中国首个火星探测任务“天问一号”发射,就在前后几天,阿联酋“希望号”与美国“毅力号”也分别出发了。“希望号”仅仅是环绕火星以研究火星大气,但“毅力号”却绝对是“天问一号”的竞争对手。中美火星任务将会在科学探索上较量,也都会为将来在火星取样、载人登火等更长远的赛道上竞争打个头阵。

火星探测竞赛史

火星上第一个来自人类的物体,是1971年12月苏联发射的“火星3号”,但它在着陆仅20秒后就迅速失联,连拍摄的第一张火星照片都没能传全。直到4年后的1975年,美国发射的“海盗1号”和“海盗2号”着陆器,才真正成功地着陆并开展了工作。

1960年代,在人造地球卫星和月球探测器发射不久后,人类就开始了遥远的火星探测之旅,它最初是作为一种体现政治优越性的象征而存在的。在美苏太空争霸的大背景下,1960~70年代,两个劲敌互不放松,步步制衡,然而,就像“火星3号”的命运一样,苏联势头强劲,但其发射的20多个火星探测器基本以失败告终。

“火星对俄罗斯人来说算是一个坟墓”,业内专家这样形容说,而美国不仅成为那场竞赛中的绝对赢家,一直到今天,美国无疑都是全球火星探测领域最富有经验和成果的国家。

1964年11月28日,美国“水手4号”探测器在火星外面掠过,拍摄了火星表面的第一张特写照片。1969年初,美国又发射了“水手6号”和“水手7号”,发回了一些数据,且向地面传送了200张火星照片。

在1971年的发射窗口,美国和苏联迎来了激烈的“火星争夺赛”。在短短21天里,美苏相继发射了5颗火星环绕器。最终,美国国家航空航天局(NASA)后出发的“水手9号”却率先到达,于1971年11月14日进入环火星轨道,成为人类第一个火星环绕器。自此,人类终于可以驻留在火星附近长期观测了。

“水手9号”“火星2号”与“火星3号”抵达火星时,恰好赶上火星沙尘暴。只有“水手9号”迅速调整了状态,坚持到了沙尘暴平息,最终获得了远优于其他两个探测器的探测成果。仅就拍照这一项,“水手9号”就拍摄了并传回了7000多张火星表面照片,利用它发回的数据,科学家绘制了火星85%的地图。

早在19世纪晚期,人们通过望远镜就可以直接看到火星表面的特征。当时的科学家们发现火星上有很多沟渠一样的形状,人们兴奋地认为,这是当时火星文明挖出来的一些类似运河的东西。然而,“水手”系列探测器传回来的关于火星大气和表面的更为详细的数据,打破了这一广泛持有的观点。这些数据揭示了火星真正引人注目的特征:它拥有太阳系中最大的火山,沙尘暴经常横扫过它的平原,以及这里有迄今为止发现的最大峡谷之一——与美国大陆一样长的峡谷。

1975年8~9月,美国两个先进的“海盗号”火星探测器发射,实现了早期火星探测三部曲的最后一部——火星软着陆。“海盗1号”着陆器发回的全彩图片让人们意识到,这是个空旷、贫瘠、乱石遍布的星球,富含铁元素的土壤因为氧化而显得一片橙红。

“海盗计划”是人类火星探测史上最昂贵的计划之一,共耗资10亿美元,但获得的成果也举世瞩目。进入1980年代后,随着苏联解体、太空竞赛意识的极大削弱,使两国月球、火星乃至行星探测的热情急剧下降,美国这一时期将重点放在空间站的建设。与月球探测类似,火星探测一度进入了约20年的沉寂时期。

栾恩杰将早期这段历史看作是技术能力实现期,主要验证了飞掠、环绕、踏足火星的工程先进性。但在1992年之后,科学目标开始决定火星探测的设计、仪器搭载等等。“从1992年开始,我觉得才是真正以科学驱动的新一波火星探测热潮。”中国国家天文台行星科学家郑永春在接受《中国新闻周刊》采访时也表示。继美国和苏联后,上世纪90年代,日本、欧洲和印度也相继加入火星探测行动。

从1992年开始,以美国“奥德赛”号与欧盟“火星勘探轨道器”为标志的一系列环绕、落火、就位探测、火星车巡视探测,包括“火星快车”“机遇号”“勇气号”“凤凰号”和“好奇号”任务等,都在普查的基础上,聚焦某些有限的重点科学研究项目进行探测。

比如,2018年美国NASA的“洞察号”着陆器,携带了火震仪和热流检测仪等仪器,目标是探索火星的内部结构、热状态、自转变化等地球物理性质,堪称火星上的第一位“地球物理学家”。

到了2018年,全球已经开展了44次火星探测任务,其中美国21次、苏联/俄罗斯19次。但是,在这几十年里,中国一直都不是牌桌上的玩家——期间除了一次失败的尝试。

中国的“弯道超车”

火星环绕太阳一周的时间则需要687个地球日。公转周期的差别导致地球和火星之间距离时刻处于变化中,从5500万千米到4亿千米不等。二者每约780天(26个月)才会合一次,此时两颗行星距离达到最近。

算好时间,在距离最近的时候抵达火星,可以缩短耗时,节省燃料,从而降低火星探测成本。也就是说,火星探测每隔26个月才有一次发射窗口。但是,当失去苏联这一竞争对手后,在许多个探测窗口期里,只有美国NASA的火星探测器一枝独秀。

到了2018年,全球已经开展了44次火星探测任务,其中美国21次、苏联/俄罗斯19次。但是,在这几十年里,中国一直都不是牌桌上的玩家——期间除了一次失败的尝试。

2007年,中国和俄罗斯签署了“萤火一号”任务。中国首颗火星探测器“萤火一号”搭载俄罗斯“福波斯-土壤”探测器发射。中俄联合火星探测器副总设计师陈昌亚当时透露,之所以与俄罗斯合作,一方面是中国希望发展自己的技术,一方面是俄罗斯希望找一个伙伴。在火星探测上,当时中国虽然也具备了到达火星的能力,但在通信能力上还有不足。

2011年11月9日,“福波斯-土壤”发射,因为变轨不成功在地球大气层中坠毁,“萤火一号”计划也随之夭折。进入21世纪,全球共实施了14次火星探测任务,这一阶段,绝大多数火星任务都成功了,但唯独俄罗斯的“福波斯-土壤”没有躲过厄运。

被誉为“嫦娥之父”的中国科学院院士欧阳自远指出,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年~3年内即开展首次火星探测。即便是印度,也在2008年首次探月后,在2013年发射了最省钱的火星探测任务“曼加努安号”。2014年9月,该探测器成功进入火星轨道,成为继美国、俄罗斯和欧洲后,第四个成功探火的国家。

在“萤火一号”出现意外后,中国决心自主开展火星探测任务。有专家总结,中国要想实现自主深空探测,除了探测器这个“主角”,还要解决运载火箭推力不够的问题,并织起更强大的深空探测网。但欧阳自远曾对媒体表示,中国自主火星计划因各种非技术原因迟迟未能立项,多次错过了探测火星的窗口。

2007年10月,“嫦娥一号”月球探测卫星在西昌卫星发射中心成功发射。之后,欧阳自远与探月工程总设计师孙家栋院士及相关工程系统的专家曾向有关部门建议:“嫦娥二号”不要去探月了,改为火星探测器。“我们曾组织专家进行了可行性论证,结论是2009年具备发射火星探测器的条件。很可惜,这一建议未被采纳。”欧阳自远说。

专家们给出的第二个时间点是2013年。但最终立项又晚了3年。根据国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言等人在论文中所指出的,2010年8月,孙家栋等八名院士联名向国家建议,开展深空探测的综合论证,专家组提出力争2013年发射,国防科工局立即组织专家组开展了发展规划和实施方案論证,经过三轮迭代和深化,于2016年1月正式立项实施。

2018年,是火星项目正式立项后的第一个窗口期。运载火箭是深空探测活动的基础保证,但在2017年,“长征5号”发射任务失利,该火箭直径达到5米,被称为“胖五”,是中国目前技术最复杂、运载能力最大的新一代火箭,承担火星探测、探月三期工程以及“天宫”空间站建设等一系列重大任务。

“天问一号”有效载荷系统负责人王赤曾参与过中国“萤火一号”卫星项目,他说,现在中国已经有了自己的长征五号大型运载火箭,也建设了自己的深空测控网,终于可以完全依靠自己来开展火星探测项目。

到了2020年的发射窗口期,中国终于加入到这场火星竞赛中来了。这一年7月23日12时41分,中国“天问一号”探测器,在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,由长征五号遥四运载火箭发射升空,火箭飞行约36分钟后,成功将探测器送入预定轨道。

2015年初的时候,欧阳自远曾推算,即使从当时那个时间点开展研制,根据航天工程的研制周期,到首次火星探测任务的发射,还需要大约5年的时间,即2020年,那时,距离中国首次探月已经过去了12年多。

作为对这种起步晚的弥补,业界专家们达成的共识是,要想缩小国际差距,只能三步并作一步走:“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。”欧阳自远曾表示。

这便是“天问一号”项目一直在提的一次实现“绕、落、巡”——环绕、着陆、巡视。航天五院深空探测和空间科学首席科学家、中科院院士叶培建则直接点出,中国首次火星探测任务实为“弯道超车”。

成败在于着陆,只有一次机会

如今,NASA的两个探测器还在火星表面活动:“洞察号”正在探测火星的内部,并揭示了“火星地震”经常使其表面震动;2012年发射的“好奇号”火星车仍在盖尔环形山附近绕圈、疯狂自拍,研究环形山古老湖床上的岩石和沉积物。

与此同时,一些绕行器正在从火星轨道上传来数据:包括NASA的MAVEN轨道器、火星侦察轨道器和奥德赛轨道器;欧洲空间局的“火星快车”和“火星微量气体任务卫星”以及印度的火星轨道探测器“曼加里安号”。现在,它们迎来了新的伙伴——2021年5月15日,中国的“天问一号”成功登陆火星的乌托邦平原。

自1960年代以来,在被派往火星的近50个航天器中,到目前为止只有五位选手,包括最新的“毅力号”在内,成功在火星表面着陆并巡视过,它们全都来自美国。尽管严格来说,1971年抵达火星的苏联“火星3号”才是第一个成功软着陆火星表面的探测器,但它在着陆仅20秒后就迅速失联,没能顺利开展探测工作,连拍摄的第一张照片都没能传。“天问一号”携带的火星车“祝融号”的成功着陆与展开工作,让它成为继苏联、美国后第三个实现该技术的国家。

在太阳系中,地球和火星都位于科学家所分析的“宜居带”中。因此,探测火星一直都是在为寻找“第二个地球”作准备的。具体而言,人类探测火星最主要的目标,就是寻找水和生命。

美国的探测器先是发现了火星上水冰的存在,紧接着,2014年12月16日,NASA宣布,“好奇号”火星车检测到火星大气中含有极微量的甲烷。大部分甲烷都是由微生物产生的,因而,在火星上观察到的季节性甲烷变化可能也是火星微生物作用的结果。

在寻找生命的赛程里,“毅力号”接下了“好奇号”的接力棒, 但它要做得更多。北京时间2021年2月19日凌晨,“毅力号”在耶泽罗陨石坑降落,之后将会在这里开展长达两年的探测任务。

与“毅力号”较为聚焦的科学目标相比,因为中国是首次开展火星探测,因此,几个科学目标都要一起完成,欧阳自远总结,中国火星探测计划是“要建立中国的火星全球数据库”。这包括三个层面:第一,完成火星全球地形、地貌、土壤和岩石的成分的勘测,研究火星演化史;第二,监测火星全球环境,包括火星电离层、磁场、气象变化等;第三,探寻火星生命或曾经存在过生命的遗迹。其中,寻找火星地表和地下是否存在水冰是最重要的科学目标。

在技术上,着陆是“绕、落、巡”三步中最困难的部分。“天问一号”探测任务总设计师、中国探月与航天工程中心总工程师张荣桥介绍,在被称为“恐怖七分钟”的时间内,探测器需要从每秒4.8公里的速度“急刹车”到零,忍受上千摄氏度的高温,然后采用四段进行减速。

“这次(火星)任务最核心、最难的地方,就是探测器进入火星大气后气动外形和降落伞减速的过程,并且只有一次机会,必须成功。由于地球与火星距离遥远,整个过程无法由地面实时控制,必须依靠探测器自主完成。”“天问一号”总设计师孙泽洲说。

“天问一号”有效载荷系统负责人王赤曾表示,“天问一号” 是没有备份星的,所以如果这一次失败了,中国不太可能在两年之后重复同样的任务。

未来谁能先把火星碎片带回地球

目前,尚没有一个着陆器接近于完成非常关键的一步:将火星上的少量原始碎片带回地球,以便研究人员可以使用探测器上无法安装的实验室设备来研究它们的生物迹象。但现在,这一任务已经提上日程。

NASA火星任务资深参与者马特· 华莱士期望,“毅力号”的底线目标,是在一个火星年中至少收集20个样本。然后等待2026年或2028年发射的一个样本回收着陆器和一个地球返回轨道器将其带上并返回——该火星首次取样任务预计将最早于2031年实现。

这一时间点与中国的计划接近。“天问一号”能实现环绕和登陆火星表面开展探測,但尚无法把火星样品取回来。中国航天科技集团五院党委书记赵小津透露,中国计划于2030年前后实施火星采样返回、木星系探测等任务,并开展关键技术研究,推动深空探测工程实施。

火星是美国整个探测计划里面非常重要的一个类别,并且优先级越来越高。2010年,奥巴马提出美国航天新计划,终止布什政府提出的国家载人航天飞行项目,将目的地改为火星和小行星。10年后,NASA前局长吉姆· 布里斯登廷在2020年财年预算听证会上宣布,为了实现这一载人登火的宏愿,美国计划迈出的第一步是重返月球,为抵达火星做准备。

郑永春说,在NASA近几年两三百亿的年预算中,花在火星任务的经费应该占1/3~1/2。一个“好奇号”都花了26亿美元,“毅力号”至少也要花这么多,其他小行星任务,只是几亿美元级别。“载人航天这类可以交给商业公司做的事情,NASA在慢慢退出了,政府重点就是火星探索这类科学价值大又没有商业利润的任务。”

有学者将近10来年的太空竞争格局称为“太空2.0”时代。与第一次太空竞赛相比,私营的、商业的、非美国主导的政府参与者入场,使得太空领域的玩家越来越多样,新的太空竞赛比拼的是谁的模式、方法更优。

奥巴马政府时期的NASA前局长查尔斯· 博尔登在接受《中国新闻周刊》采访时指出,NASA现在开始使用一种新的模式:和商业机构共同投入资金,NASA提供基本理念、思路,之后由商业机构提供设计方案,我们挑选最符合我们目标的方案,然后让他们用各自的方式去完成。

王赤在接受媒体采访时指出,美国的火星探测有稳定、长期的规划,每一步都有非常明确的路线图。“我们确实缺少长期规划,也缺少稳定的科学研究人才队伍……必须培养出一批优秀的行星科学研究者,在未来几十年中持续、稳定地推动我国的行星科学研究。”

中国探月工程总设计师吴伟仁在2019年4月接受《国家科学评论》采访时指出,如果将嫦娥工程的总投入平均到工程实施的这十几年中,年均投入额只占中国年GDP的万分之零点三,和美国“阿波罗计划”等项目相比,这样的费用水平并不高。

但中国的太空探测,还是以政府主导。“月球和深空探测工程是国家意志,也是人类寻找地外生存空间的必由之路,所以政府一定会持续支持。”他说。

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