科學探索：中國首次火星探測任務已準備就緒

天問一號火星著陸器和火星車概念圖。
圖源：中國國家航天局
今年7月，一枚寬5米、高57米的火箭即將從我國南部的海南島發射升空，我國正在低調地為首次獨立火星之旅做最後的準備。當發射窗口在7月中旬打開時，我國科學家將向火星發射探測器。在古代，這顆行星在天空中的明暗變化和位置移動曾久久困擾著我們的祖先。
這艘航天器名為“天問一號”，這個名字取“探問宇宙真相”之意，它將攜帶13個科學儀器飛向火星，分別從行星軌道和行星表麵對其進行檢測。“天問一號”將研究火星的水冰分布情況，以及火星的自然環境演變過程和可居住性。這項任務將由軌道飛行器、著陸器和探測器共同完成，是“中國在首次嚐試中所能做的最雄心勃勃的事情，”喬治華盛頓大學（George Washington University）的太空政策專家John Logsdon說。
回首過去，並不順利
然而，這個任務圓滿完成的可能性並不樂觀：到目前為止，人類曾數十次嚐試發射航天器進入火星環繞軌道或登陸火星，但隻有約一半的任務成功了。在“高調”失敗了幾次之後，美國宇航局終於成功部署了5個著陸器、4個探測器和多個軌道飛行器，為科學家和公眾揭開了火星世界的神秘麵紗。但中國在地球之外的太空飛行經驗僅限於幾次成功的機器人探月任務，以及2011年搭載在俄羅斯“火衛一”上的人造衛星，而這次任務也失敗了。


圖源：pixabay
Logsdon表示，重達5噸的“天問一號”主要麵臨兩大風險。首先，中國最強大的重型運載火箭“長征五號”隻發射過三次，其中2017年那次還失敗了，當時火箭起飛後不久就出現了故障。科學家們花了兩年多的時間解決了長征五號的芯一級發動機故障，並在2019年底成功完成了一次飛行。然而，它的過往記錄還是讓看客們感到緊張。
其次，“天問一號”著陸器必須在火星大氣中航行，火星大氣太厚，足以使探測器過熱，但又太薄，不足以使探測器充分減速。航天器的進入、降落和著陸需要使用隔熱板、降落傘和反向引擎來減緩下降速度，這種程序設計與美國早期的任務類似。然而，當飛船離火星地表僅100米時，它就會停下來，拍攝該區域的快照，並迅速計算出最佳著陸點。然後它將水平移動到該地點上方的中心位置，打開著陸器的四條腿，小心翼翼地著陸。
2019年11月，專家們在河北省測試了這部分著陸程序，此前我國曾在登月任務中成功使用過這部分程序。外國官員還被邀請到現場觀看測試。那是“天問一號”的最後一次大型公開活動。此後，中國國家航天局（CNSA）一直保持低調，本次任務相關的科學家拒絕了幾乎所有的采訪。
科技未來，許是機遇
如果天問一號成功著陸，它的研究可能會從全新角度揭開火星的神秘麵紗。例如，其軌道飛行器和火星車都裝備了一個可以繪製火星地表下的地質層圖的探地雷達。軌道飛行器上的雷達可以“看到”幾千米深的地方，而火星車上的則可以看到較淺的地方，但分辨率隻有幾厘米。法國格勒諾布爾行星科學和天體物理研究所（Institute for Planetary Sciences and Astrophysics of Grenoble）的Wlodek Kofman認為：“中國（使用這些雷達）的主要目的是探索火星表麵下的水冰層。”
“天問一號”能夠測量火星磁場的能力令亞利桑那州立大學（Arizona State University）的Jim Bell興奮不已。Bell是美國宇航局“毅力號”（Perseverance）火星車主攝像頭的首席研究員。他說，一種普遍的假設是，這顆紅色星球曾經有一個像地球一樣的全球磁場。然而，當其相對較小的熔鐵核心冷卻下來時，火星逐漸失去了磁場的保護，暴露在了太陽風和輻射之下，因此大氣層變薄，曾在火星表麵流動的水也可能因此而消失。自2014年以來，NASA的火星大氣與揮發性演化（MAVEN）任務已經發現了足夠的證據來支持這一假說，但科學家們希望這個拚圖更完整一點。Bell表示：“天問一號在從不同軌道和地麵提供更多證據方麵非常有用。”他希望中國團隊能與國際社會分享火星環境演變的數據。


圖源：pixabay
“天問一號”的著陸目標在“烏托邦平原（Utopia Planitia）”南部，這是在火星赤道以北25~30度之間的一大片平地。長期以來，地質學家一直懷疑這個地區被古老的泥石流所覆蓋，這表明該地區過去曾儲存過水。亞利桑那大學（University of Arizona）的行星地質學家Alfred McEwen說：“這是一個有趣的地方，可以用來對火星以前的地下可居住性進行調查。”
大國重器，係列首發
McEwen指出，火星車在地表以下發現水的機會可能受到緯度的限製。因為火星車的電力來自太陽能電池板，所以它必須呆在赤道附近。然而大多數研究人員認為，如今火星表麵以下的水和冰主要存在於高緯度較冷的地區。
中國科學院上海技術物理研究所的舒嶸教授表示，天問一號對太陽的依賴迫使我們團隊設計出堅固的儀器。他補充說：“由於我們的探測器沒有使用放射性同位素供能，所有的儀器在靜止狀態下都需要忍受-90℃的低溫，而且它們的工作溫度範圍在-40℃到-30℃之間。”
探測器的有效負載之一是火星表麵成分探測儀（MarSCoDe），舒嶸教授領導了它的設計過程。與美國宇航局“好奇號”（Curiosesity）探測器上的“ChemCam”類似，MarSCoDe可以發射短激光脈衝，在幾米外蒸發岩石表麵。然後該儀器將“聞”出這些微型爆炸產生的電離氣體，以確定岩石中化學元素的類型和數量。
天問一號預計將於2021年2月抵達火星。它將在停泊軌道上停留約兩個月，等待最佳著陸時機和地麵條件。我國將通過不斷擴大的射電望遠鏡跟蹤和接收站網絡維持地球和探測器之間的通信。
我國科學家已經在為“天問”係列的更多任務做準備，包括從火星和一顆小行星帶回岩石樣本、飛越木星、探索太陽廣闊的日球圈邊緣。Logsdon表示，如果天問一號按計劃到達火星，“它將把中國的太空探索事業推向一個新高度。”
關於作者
Ling Xin
物理學、天文學、航天和相關領域
翻譯：張玉
審校：施懌
引進來源：科學美國人
引進鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/chinese-spacecraft-poised-for-first-mars-mission1/


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