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《科技潮》

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火星探测向纵深挺进

2012-10-16 19:33:33


    奇 云

进入21世纪,火星是人类探索的新大陆。国际天文学界新世纪空间探测的第一个重头戏就是火星。以今天的科技,探测器从地球飞到火星需要6个月到1年时间。

 

新火星探测器

2016年探测火星内核

美国东部时间201286日,“好奇号”火星车在火星盖尔陨石坑中心山脉的山脚下成功着陆,任务在于探索火星是否存在适宜生命存在的环境。两周之后的820日,美国国家航空航天局(NASA)宣布,将在2016年发射新火星探测器“洞察号”(InSight),用于探索火星内核。

与“好奇号”火星探测项目的25亿美元投入相比,“洞察号”项目的预算仅有4.25亿美元。这一项目仍由“好奇号”项目的美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)组织实施,项目负责人是喷气推进实验室的任务专家布鲁斯•班纳特(Bruce Banerdt)。

进入21世纪,火星是人类探索的新大陆。国际天文学界新世纪空间探测的第一个重头戏就是火星。以今天的科技,探测器从地球飞到火星需要6个月到1年时间。航行时间与启程时间相关,因为地球和火星轨道的关系,每26个月才会出现一次最有利发射时间,而其他时间发射效率低、成本高。据美国国家航空航天局介绍,“洞察号”探测器计划在20163月发射,20169月抵达火星。,设计使用年限为两年。

洞察号”计划降落在火星环境较适宜的火星赤道区域,然后用一整个火星年,即大约680天时间收集目标数据。和此前登陆火星的“勇气号”以及“机遇号”不同,“洞察号”火星探测器是一个固定式着陆器,大部分的科学任务是通过诸如钻探实验来完成,并仅限于着陆位置下方。通过对火星内核状况展开详细探测,从而了解火星内核大小、组成及物理状态、地质构造和火星地震(也叫火星震)活动等情况。 

 

“洞察号”

3个太空计划中胜出

根据美国国家航空航天局局长查尔斯•博尔登(Charles Bolden)介绍:“探索火星是一个高度优先的“太阳系探索发现计划”,可确保美国继续了解对火星这颗红色星球的奥秘,并为人类未来登陆火星奠定基础。“太阳系探索发现计划”始于1992年,为高度关注科学目标的太阳系探索任务提供赞助。 此前通过“太阳系探索发现计划”实施的任务包括“拂晓”航天器,该航天器与“灶神”小行星交会后,正在向“谷神”星进发。2009年入轨的“开普勒”天文望远镜也是“太阳系探索发现计划”中的一项任务。

在进行新一代“太阳系发现计划”预选过程中,“洞察号”火星探测器击败了另外两个候选方案,成为美国国家航空航天局第十二个“太阳系探索发现计划”系列。其他两个参与候选的方案为“彗星跳跃者”(Comet Hopper)和“泰坦海洋探索者”(TiME)。

彗星跳跃者”主要对彗星进行探索,通过多次登陆彗星表面,探索绕日彗星的形成和演化。马里兰大学的杰西卡•桑塞恩(Jessica Sunshine)是该项目的首席研究员。美国国家航空航天局的戈达德航天飞行中心负责项目管理。 

而约翰斯•霍普金斯大学应用物理实验室的“泰坦海洋探索者”(TiME)项目,旨在首次地外海洋环境直接探测,探测器将降落并漂浮在泰坦(土卫六)的甲烷-乙烷海洋上,接触充满甲烷和乙烷的海洋进行探索研究。普罗塞米(Proxemy)研究公司的艾伦•斯托凡(Ellen Stofan)是该项目的首席研究员。

来自美国国家航空航天局华盛顿总部的官员约翰•格伦斯菲尔德(John Grunsfeld)认为,进入候选方案的3个太阳系探索发现任务都具有很强的科学潜力,而“洞察号”火星着陆探测器则更为吸引人,其具有较低的成本。

由于资金的短缺,美国国会曾提议在2013年的联邦财政预算中削减行星科学探索任务的20%。在目前美国国家航空航天局的财政预算下,“洞察号”探测器使用了2007年发射的“凤凰号”火星探测器方案和主体设计。此外,来自法国和德国的科学仪器也将搭载在“洞察号”火星探测器上,使得美国国家航空航天局可以将该探索发现任务控制在较低的预算范围内。当然,使用此前火星探索中成熟的技术,不仅可以控制成本,也可以按制定的任务计划进程表进行。美国国家航空航天局科学任务董事会负责人约翰-格伦斯菲尔德说:“这是我们第一次认真查看火星的内部,目前还有很多科学问题急需知道答案。”

 

“洞察号”携带多国高科技设备

计划中的“洞察号”探测器着陆地是火星靠近赤道的艾利希平原(Elysium Planitia)。选中这一地区是基于着陆安全以及确保能源供应等方面的综合考虑。因为,越靠近赤道,探测器就将拥有更多的光照,它的太阳能板产生的电能可以确保探测器的运行。

洞察号”的设计很大程度上借鉴了20085月成功登陆火星的“凤凰号”(Phoenix)探测器。和“凤凰”号一样,“洞察号”也将交由美国丹佛的洛克希德-马丁公司制造。不过虽然二者看起来非常相像,但是携带的设备却非常不同。

洞察号”携带的主要仪器有:内部结构地震实验仪(SEIS)、热流和物理属性探测仪(HP3)、自转与内部结构实验仪(RISE)。这些仪器是国际合作的结晶。

热流和物理属性探测仪”来自德国,将探测火星内核散发的热量,收集与这颗行星的热力学有关的信息。“洞察号”在火星表面着陆后,将在着陆点就地完成其大部分设定的科学探测目标。它的机械臂将会把探测仪从仪器平台上取下,依次摆放在探测器旁边的地面上。机械臂本身并不携带有钻头,但是“热流和物理属性探测仪”会自动向下钻探,深度可以达到5米左右。

内部结构地震实验仪”由法国航天局(CNES)提供,将会用来记录地震和其他火星内部活动引起的颤动,为科学家提供与这颗行星的构造和正在进行的地质变化有关的线索。

而“自转与内部结构实验仪”则是由喷气推进实验室研制。它将通过测量与地球无线通信的多普勒频移,来测量火星受太阳引力影响形成的绕火星轴摆动。目前正在火星上执行考察任务的“机遇号”火星车正在执行一项多普勒无电线追踪实验,这一实验的原理和“自转与内部结构实验仪”的实验非常相似,只是后者的实验精度将要更高。“机遇号”由于正值火星冬季,因而电力不足,目前处于停驶状态。相比之下,“洞察号”将可以连续一整个火星年(约合两个地球年)进行这项实验。

除此之外,“洞察号”还将装备两台相机。两台相机的主要目的都是为了方便监测将仪器设备放置在火星表面上的操作。当然,它们也能用来拍摄探测器周围的环境景色,不过这些照片都将只有黑白两色。

 

未来的火星探测计划

由于美国宇航局的行星探索经费面临严重削减,“洞察号”是否能真正成行,目前还尚未可知。2012年初,美国国家航空航天局退出了与欧洲航天局合作的两项火星任务,原因是无力为2016年和2018年执行的任务提供14亿美元经费。

迄今为止,火星探测已经经历了飞近火星、进入火星轨道环绕飞行、登陆与漫游火星3个阶段。现在,火星探测器不仅可以在某一地点定点登陆,而且可以使用火星车在火星表面活动。未来的火星探测计划主要有以下几项。

1.  火星大气与挥发物演化任务

火星大气与挥发物演化任务(Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission,简称MAVEN)是美国国家航空航天局火星侦察兵计划的一部分,由一个轨道卫星观测火星大气,尤其是测量大气逃逸速率,进而研究火星气候历史。

诸多线索综合起来为我们描绘出一幅画面:那是火星遥远的过去,那时的火星还有着一层厚厚的大气层,令这颗星球温热暖和,从而使水能够在火星表面流淌。但如今,地表的水消失不见,而大气层变得如此之薄,任何水分都会蒸发掉。事实上,残余的大气层仍在缓慢地消散于太空中。为什么呢?研究人员认为太阳风和辐射是“幕后黑手”,他们打算开展“火星大气与挥发物演化任务”来找出原因何在。

火星大气与挥发物演化任务”计划于2013年末以改进型一次性运载火箭发射,于2014年秋季进入环绕火星的椭圆轨道。此任务将花费4.85亿美元。“火星大气与挥发物演化任务”有4个主要科学目标:一是了解从大气逃逸至太空的挥发物于大气演化所扮演的角色,进而了解火星大气、气候、液态水和行星适居性的历史;二是了解当今上层大气与电离层的状态,还有与太阳风的交互作用;三是了解当今中性粒子与离子从大气逃逸的状况与相关机制;四是测得大气中稳定同位素的比例,以了解大气随时间流失的情况。

2.  MetNet计划

MetNet计划是一个由芬兰气象研究所和俄罗斯太空研究机构牵头,拉沃斯奇金协会、巴贝金航天中心以及一些著名科学家共同协作来完成的火星大气层探测计划,其目的是通过一个球形的基盘将探测器“栽种”在火星地面上,用来观察火星的大气层,同时还将测量火星的大气压力、湿度以及火星总体的气候状况。即在火星地面组建由16个气象站构成的网络系统,再使用1个轨道飞行器来接力传送在火星上测得的数据,并反馈至地球上的控制中心。 经过两个火星年,气象站网络系统就能勾画出一幅正确的火星气象和气候状态全貌图,此外,MetNet还将测试火星上土壤的导热性、地震、磁性测量和察看火星地表下存在的冰层。

该科研项目还计划将MetNet地面探测器安放在“海盗号”和“开拓者”号飞船着陆场地附近的一个恰当位置,目的是比较和对照先前它们在火星表面测得的大气层数据。同时,科研人员还预言:来自MetNet探测器的一些特殊图像也将有趣地显示与“海盗号”和“开拓者”号飞船有关的景象。另外,除了来自火星地面的探测数据会被接力传送到地球,MetNet轨道飞行器自身也将进行大气探测和丈量,当这些与火星地面网络监察系统相结合,就会大大提高从火星探测中所获数据的正确性。

3.  ExoMars任务

ExoMarsExobiology on Mars)是一个由欧洲航天局和美国国家航空航天局进行的火星探测任务。ExoMars主要的科学任务是寻找火星生命在过去或现在在火星上的生物标记,确定火星表面下浅层的火星上的水和地球化学分布模式,研究火星环境以研判未来载人火星任务的危险性,调查火星表面下与地下深处以更加了解火星的演化和适居性,逐步实现将火星样本取回的任务。

ExoMars火星探测任务原始概念是欧洲航天局(European Space Agency,简称ESA,又译欧洲太空总署)的旗舰任务-曙光女神计划的一部份,且该计划在200512月由欧洲的太空相关机构批准。原订在2011年由联盟号运载火箭发射,但该计划重要成员国意大利因为财政因素造成了该计划的第一次推迟。

后来在20097月美国国家航空航天局和欧洲航天局提出的火星探测联合任务(Mars Exploration Joint Initiative, MEJI)计划中,ExoMars推迟发射时间,并与另外两个计划合并成一个多探测器的计划,将使用两个“阿丽亚娜5号”(Ariane 5)运载火箭发射。“火星微量气体任务 ”(Mars Trace Gas Orbiter, TGM)和“火星天体生物学发现-收集者”(Mars Astrobiology Explorer-Cacher, MAX-C)任务被并入该计划。这将是首次有两台火星车在火星同一个地点探测,以互为补充。

2009年开始欧洲航天局一直与美国国家航空航天局协商合作,预计耗资14亿美元。但美国国家航空航天局以缺乏资金为由,于20122月正式宣布退出决定。美国国家航空航天局的退出,导致欧洲航天局不得不向俄罗斯递出橄榄枝。俄航天署在2011年“福布斯-土壤”火星探测器发射失败后,接受了欧洲航天局的合作想法。201246日,俄罗斯航天署在莫斯科签署了相关意向书,同意接替美国国家航空航天局与与欧洲航天局共同实施ExoMars火星探测项目。

目前,ExoMars火星探测任务计划分两个阶段实施。

第一阶段开始于2016年,届时美国国家航空航天局提供的“阿特拉斯5号”(Atlas V)运载火箭将把欧洲航天局研制的1台火星微量气体探测器送入火星轨道,该探测器将用来了解火星大气中微量气体的起源和分布,尤其要研究甲烷气体在某些区域不断形成的原因。另外,火星微量气体探测器将把1个静态登陆器送往火星表面,以验证欧洲航天局从未验证过的探测器进入火星大气、下降和登陆火星的能力。

第二阶段开始于2018年,届时美国国家航空航天局提供的“阿特拉斯5号”火箭将把欧洲航天局研制的ExoMars火星漫游器与美国国家航空航天局研制的火星天体生物学探测-收集器(Mars Astrobiology Explorer-Cacher)送往火星。这两个探测器上搭载多件重要科学仪器,英国负责其中2件(生命标记芯片和全景摄像机)的研制工作,还参与了另外3件(红外成像光谱仪、拉曼光谱仪和X射线衍射仪)的研制工作。生命标记芯片借鉴了医疗诊断领域的技术,计划通过探测有机物来了解火星过去或现在是否存在生命,英国的莱斯特大学、克兰菲尔德大学和帝国理工学院都参与了它的研制工作。

全景摄像机相当于ExoMars火星漫游器的“眼睛”,它负责引导ExoMars并帮助地质学家了解火星的历史和结构,这将为ExoMars上钻头的取样选择最佳的地点。ExoMars上的钻孔机可以取得最深2米的土壤样本。钻孔机可取得土壤或岩石的岩心样本,并将样本带到火星车的样本盒内进行分析。红外成像光谱仪(Infrared imaging spectrometer, MicrOmega-IR)可以使用红外线光谱分析用钻孔机收集的矿物粉末,以了解火星某区域的地质演进、构造以及成份。这些资料将会是了解火星过去和现在地质作用和环境的关键。因为该仪器也有摄影的功用,也可使用该仪器来确定火星表面特定的砂石颗粒,并且可将这些砂石作为火星有机分子分析仪和拉曼光谱仪的观测目标。拉曼光谱仪 (Raman spectrometer, Raman)将作为红外线摄谱仪的补充,以提供地质和矿物成分资讯。拉曼光谱仪可以有效判定形成过程和水相关的矿物。X射线衍射仪(Mars X-Ray Diffractometer, Mars-XRD)用于研究火星上已知矿物质的结构,并确定它们是否受到过水的影响以及是否存在生命。

4.  火星样本取回任务

火星样本取回任务是一个美国国家航空航天局及欧洲空间局间的联合计划,从火星收集岩石及尘埃样本并且取回地球分析。这将会是第一个从另一个行星收集岩石样本的任务。不过,以前就已经有样本从彗星及月球取回了。

任务的内容将取决于发射日期与载具火箭的效能。若在2018年之前,只有“阿特拉斯5号”运载火箭和一次性运载火箭(evolved expendable launch vehicle ,简写为EELV)可用。而在2018年之后,“战神5”Ares V)应该也可以用了。

火星样本取回任务将包括一个轨道船、一个登陆器或探测车。轨道船将被设计成可递送登陆器/探测车至火星,并取回岩石样本回地球做分析。

5.  载人火星任务

载人火星任务是2021世纪的太空科学及工程学研究目标,也是科幻小说的主题之一。最终目标不仅是让人类登陆火星,而是包括火星殖民(包括火卫一及火卫二在内)及火星地球化。2010415日,美国总统奥巴马在肯尼迪太空中心发表演说,认为美国在2030年代中期,可以将太空人送至火星轨道上,随后让太空人登陆火星。美国国会也支持美国国家航空航天局新的发展方向,取消布什总统的2020年载人月球探测计划,转而计划在2025年进行小行星探测及2030年代进行载人火星探测。

因为火星与地球之间的距离,所以火星载人探测任务比月球载人探测任务更加危险且昂贵。想要完成载人火星任务,必须解决几个关键问题:人体暴露在高度宇宙线及游离辐射下所产生的影响,长期处于低重力的环境下对人体造成的影响,长期处于昏暗环境下对人体造成的影响,长期生活在封闭空间所造成的影响,远离地球、缺乏与地球社会间的联系所造成的影响。

火星载人探测任务必须携带23年的燃料,而且太空船至少必须能够抵挡宇宙辐射。俄罗斯计划的“火星领航轨道站计划”使用核反应堆,该计划草案在2005年曝光。计划设计于2012年完成,2021年完成太空船建造。欧洲航天局规划的“曙光女神计划”是长期的火星载人探测,预计在2030年将人类送上火星。

因为太空人从火星地表返回地球是载人火星任务中最困难的环节之一,所以单程载人火星任务曾多次被提出。科学家曾在1998年国际太空发展会议中提出单程载人火星任务,想要在首次载人火星任务中建造永久的太空站。科学家认为单程载人火星任务难度及成本较低,因为太空人不需要返回地球。   (作者单位:安徽淮南联合大学)

 

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