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2亿公里外的好消息:“祝融号”成功着陆火星

距离地球约2亿公里的火星,又有了新的天外来客。

 

今天上午8点左右,我国首辆火星车“祝融号”成功着陆火星北半球的乌托邦平原(Utopia Planitia)

 

搭载火星车的着陆器与“天问一号”探测器分离后,跟地球完全“失联”,需要自主完成近9分钟的软着陆过程,要将大气进入速度4.9km/s降低到垂直速度为0,然后经过平移找到最佳着陆位置。

 

这个着陆过程最难,也被称为“恐怖9分钟”。

 

 

火星探测项目“天问一号”在2016年立项,经过4年打磨,于去年7月23日在海南文昌发射,今年2月10日被火星捕获后,顺利进入环火轨道,绕火星飞行。

 

过去2个月间,“天问一号”一直在对火星气象、地表地形、降落点等进行数据收集和研究,今天终于找准时机,释放着陆器,让其“亲密”接触火星。

 

着陆器安全着陆后,会先进行自我检查,然后打开太阳能板进行充电,再释放高1米85、重240公斤左右的火星车“祝融号”,让它大展身手。在设计寿命3个火星月、92个地球日内,“祝融号”将进行巡视工作,主要完成5项任务:

 

  1. 绘制火星形态和地质结构图;

  2. 调查火星表面的土壤特征和水冰分布;

  3. 分析火星表面的物质组成;

  4. 测量电离层和火星地表气候及环境特征;

  5. 探索火星的物理场(电磁场、引力场等)及内部结构。

 

中国火星探测器“天问一号”着陆器与“祝融号”火星车模型

 

里程碑事件

 

火星车“祝融号”的安全着陆,是我国漫长行星探索的里程碑事件。

 

要知道,从上世纪美苏太空竞赛以来,火星探索一直没间断过,却很少见到中国的身影。如今我国首次自主探索火星,就能成功着陆火星车,简直是个奇迹。俄罗斯的火星车摔了几次都没成功,日本、欧洲更是接连失败。

 

至此,中国成为全球继美国后,第二个能将火星车安全送入火星表面并正常运行的国家。

 

火星车成功着陆也得益于我国在探月工程中的长年积累——2011年实现“绕”月飞行,2013年释放月球车实现“落”、“巡”任务,去年成功采集月球土壤和岩石样品返回地球。这些工程都沉淀不少太空探索技术和经验。

 

 

2020年以前全球有44次火星探测活动,包括美国21次,苏联/俄罗斯19次,日本1次,欧空局2次,印度1次,虽然参与者多,成功率却只有43%。

 

图片来源:中科院之声

 

火星探测的关键难点在两个环节。

 

一是从地球到火星长达几个月的太空飞行,探测器很容易遇到各种意外而失联,成为“太空垃圾”。另外哪怕探测器到达火星轨道,在降落过程中,地球与火星之间有6-22分钟的通信延迟,无法靠人工操作来规避意外危险,更不能靠火星稀薄的大气层来快速减速,几乎一半的着陆任务折戟于此。

 

去年美国、中国、阿联酋分别发射了火星探测器,目前进展都还算顺利。如今有4个探测器在火星表面工作——美国的“好奇号”、“洞察号”,今年2月份着陆的“毅力号”,以及刚着陆的中国“祝融号”。

 

 

在火星轨道正常工作的探测器有9个——NASA奥德赛、ESA火星快车、NASA火星勘察轨道器、NASA火星大气与挥发物演化任务探测器、欧洲和俄罗斯合作的“微量气体轨道器”、印度曼加里安火星轨道探测器,以及去年发射的阿联酋“希望号”探测器、“天问一号”轨道器。

 

“祝融号”成功着陆意味着我们探索火星迈入新台阶,不再需要依靠其他国家间的探索结果来了解火星,能自主探索火星上的自然环境和生命迹象。再往远了说,马斯克推崇的“火星移民”,虽然遥不可及,但至少我们不会显得非常被动,对该计划的可行性有更清楚的认知。

 

此次着陆点乌托邦平原也深有考量,因为选址不仅涉及到火星车的工作安全,还决定它能发现哪些科学信息。

 

乌托邦平原位于火星北半球,直径3300公里,是火星上最大的平原,早在1976年,NASA的“海盗2号”就降落此地。该平原平均高度低于火星基准面1000-2000米,南部地区与艾希律平原接壤,面积大、光照足,着陆成功可能性更大。

 

经过多年探索发现,该平原并不是一个大陨石坑,而是火星古代海洋的海床,地表浅层发现了水冰的存在,比较适合火星车在此探索火星生命和地质环境。

 

“祝融号”与邻居“毅力号”

 

跟美国的重达1000多公斤的“毅力号”相比,“祝融号”只是一个小不点。但“麻雀虽小,五脏俱全”,它也携带了13种有效载荷,来完成对火星形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等的分析。

 

比如:

 

  1. 探地雷达,可以对火星表面100米以下成像;

  2. 火星表面磁场探测器,可探测表面磁场强度;

  3. 火星气象测量仪,可测量火星表面温度,湿度,气压和风速等气象环境;

  4. 火星表面化合物检测器,利用激光诱导击穿光谱和红外光谱可对土壤和岩石进行探测;

  5. 多光谱相机,获取至少8个波谱段的图像,探测火星表面物质类型分布;

  6. 导航和地形相机,可用来拍摄火星地形地貌,帮助科学家研究火星的地质构造和演化过程。

 

“毅力号”是美国第5次派遣的火星车,长3米,配有19个摄像头,以及2米长的机械臂。它降落在杰泽罗(Jezero)陨石坑附近,主要的任务是寻找生命迹象、探测火星地质、收集样本,以及利用火星大气制氧,同时还派出“机智号”火星直升机。

 

“机智号”直升机与“毅力号”火星车

 

它的装备相对先进一些。比如摄像头系统可以拍摄火星表面的高清视频、全景三维图像,能像隔着足球场看苍蝇一样对目标进行放大。另外比较让人难忘的是“毅力号”的直升机和制氧技术。

 

上个月“毅力号”的制氧机就曾成功将占火星大气96%的二氧化碳的氧原子分离出来,制成大约5克氧气,相当于一名宇航员正常活动10分钟所需的氧气量。这不仅能解决未来载人探火的供氧问题,还能成为以火箭返回地球的燃料,给商业航天、火星移民等项目打下基础。

 

直升飞机“机智号”最近也飞了5次,最新飞行记录距离约129米,高度约10米。它的挑战是在空气密度只有地球1%的火星表面飞起来,旋翼转速至少要达到地球直升机螺旋叶旋转速度的5倍,另外还要面临零下90度的恶劣天气。

 

 

“毅力号”主要靠放射性同位素核电池供能,来维持仪器运转和寒冷天气保暖。“祝融号”靠太阳能充电,设计寿命只有“毅力号”的四分之一。

 

“祝融号”的优势还是在材料和通信上。比如“祝融号”的热控材料是新型保温材料——纳米气凝胶,很轻,隔热性能好。它的太阳能面板也不会被灰尘给封印,因为面板可以调节角度,甚至可以竖起来,而且面板上也有一层特殊涂层,不容易粘灰。

 

 

“祝融号”还采用了铝蜂窝夹层材料、铝基碳化硅、复合纤维材料等多种新材料,能提升火星车的高耐磨性和稳定性,基础零部件都实现了国产化,元器件国产化率也超过90%。它收集到的数据需要传输给还在天上转圈的“天问一号”,然后由“天问一号”转发给地球。

 

为了保险起见,我们和欧洲人商量好了,如果“天问一号”不能工作,可以让欧洲的火星快车探测器帮忙。另外,“祝融号”上也携带了能直接与地球通信的天线,传输数据的速度比别的探测器要快。

 

“第二故乡”火星

 

如果看火星的自然条件,你很难想象,我们为什么要去到这颗遥远的红色星球探险、开荒?

 

火星平均温度为-60 ℃。大气成分主要是二氧化碳,常有沙尘暴发生,大气层仅为地球的0.7%,没有完整的磁场,还没有发现任何的生命体,有些像“死去的地球”。

 

NASA发布火星表面“金伯利”地质景观图

 

火星尼利槽沟区域

 

可火星却是太阳系内,目前最适合人类生存的星体。

 

从排除法来看,太阳系中只有金星、地球、火星处于宜居带,而金星的生存环境更恶劣,大气压强高达地球的92倍,平均温度超过460摄氏度,比离太阳最近的水星的向阳面还热,比起火星的荒芜,金星更像是地狱。

 

火星最有吸引力的一点是,它有大量的固态冰,也就是有生命之源——水,这是它被称为“第二故乡”的最核心原因。

 

NASA获得照片显示,深色细长长约100米的条痕,推测是由水流冲刷形成

 

有研究表明,在46亿年前到37亿年前,火星表面存在大量江河湖泊,大气层浓密,温暖宜人,像地球一样适合生存。这为探索火星提供了另一层动力,就算找不到生命的存在,也能研究生命消失的原因。

 

尤其是当我们在地球上正经历一些前所未有的不确定性时,比如地球环境的不断恶化、疫情病毒的无休止变异、稀有材料的紧缺,甚至行星撞击地球等预言,都会让我们不由自主地感到恐慌,从而将希望转向另一种生存的可能性。

 

火星探索不管是出于国家竞争、太空探索,还是商业化拓展,我们都可以看到新一轮的“火星潮”正兴起,它不再只是创意产物,而逐渐形成较为合理的需求苗头。

 

一辆火星车的着陆,或许就是一个平稳的开始,此后我们对火星的构想将加速成为现实。

 

“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中。”