中国2020年首探火星!星斗大年夜海才是我们的征途!

中国2020年首探火星!星斗大年夜海才是我们的征途!
2019年07月10日 14:01 迷信大年夜家

  出品| 新浪科技《迷信大年夜家》、墨子沙龙

  撰文| 舒嵘 中国迷信院上海技巧物理研究所副所长、研究员

  迷信家眼中的火星

  火星是太阳系八大年夜行星中第四颗,是一颗类地行星。古时辰,中国人一向称火星为荧惑星,意味着莹莹火光,离离乱惑之意。在西方一向用古希腊神话传说中豪杰名字定名火星。真实的火星是甚么模样的呢,在天然卫星上看,火星下面既有像戈壁、像流过河道的戈壁滩,也有山丘等地貌。火星上的河道是没有液态水的,然则在火星两极下面有大年夜量冰川地下水。

  火星的地质情况跟月球是异常接近的。火星的大年夜小介于地球和月球之间,重量大年夜约是地球的非常之一,体积相当于地球的六分之一。在火星上一年大年夜约相当于地球上两年。

  我们都异常想知道地球的之前与将来。有一门学科叫比较行星学,经过过程比较八大年夜行星中其他行星演变的情况来看地球的之前跟将来。在约45亿年前,宇宙构成的早期,火星和地球是一样的,它的外面也是有流水,到了30亿年前阁下,地球上出现了光合感化,产生了生命。火星到前面水消掉了,变成了一个又冷又干的星球。所以摸索火星的气候变更和地质的演变,关于保护地球,拓展我们人类生计的边境,有异常重要的意义。火星是我们全部深空探测范畴,除月球以外的第二个重要研究的星球。

  迷信家想要看火星的甚么?要从三个方面看:生命、气候、地质。

  我们先要知道,在火星下面能否有过生命的出现,有没有生命的一些陈迹。第二个方面,由于火星上是有大年夜气的,懂得火星气候演变的过程和汗青很成心义。别的是研究火星外面和地质演变的过程,可以更好地赞助懂得地球的早期演变汗青和生命的来源。

  火星探险

  全部深空探测都是在迷信目标牵引下,完成摸索与技巧相结合。

  记得当时做嫦娥项目标时辰,欧阳自远院士说过一句话,假设迷信家把摸索的目标想清楚了,在技巧的支撑下,才能完成这些迷信的妄图。实际上国际上的迷信界,对宇宙的摸索也是走的如许一条路。

  火星探测风险是很大年夜的,我国2020年要发射一颗火星探测器。但实际上在2011年,我们跟随俄罗斯的福布斯-泥土探测器曾经搭载过一颗火星探测器,这颗火星探测器是由上海航天八院研制的,很不幸这个发射器升空今后,由于俄罗斯人过早的把计算机体系转入主动的导航形式,成果由于外面的软件有点bug,招致探测器没有离开地球轨道,变成了地球上的一颗卫星,并且轨道不高,所以抢救了几个月今后,这颗卫星最后坠入大年夜气层就毁掉落了。从全部世界来讲,火星探测的成功概率不到50%。

  2020年中国第一次用全新研制的长征五号火箭,要一次完成绕、落、巡这三个目标,难度异常大年夜。美国的海盗1号和海盗2号,在1976年第一次成功进入火星轨道,降低到火星上去。今朝火星探测以美国为主,然后是欧盟ESA、日本,我们也期盼着,2020年今后中国的火星探测愈来愈多。

  从下面的图中可以看到,环绕着水的寻觅,人类从环绕器的三个探测器加上“机会号”火星车,展开了很多研究任务。环绕着可栖息性发射了轨道探测器、微量气体探测器和“猎奇号”火星车,停止了各类探测活动。比来一次人类成功在火星高低降的是“洞察号”火星着陆器,它是研究磁场和大年夜气是如何的情况、多久消掉的,别的还要停止类地行星的研究。

  不管是NASA、ESA照样中国,着陆器或许火星车,其实都是要研究可栖息性和生命的陈迹。今朝曾经做了寻觅水的探险,水是肯定有的,然则水不在外面,在火星外面的基层,这点在今朝迷信研究成果中是百分之百肯定的,由于在火星上既发清楚明了水流的陈迹,还测到氢的元素。第二个是可栖息性,火星上二氧化碳、水这两个元素比月球情况要好很多。第三个方面,火星之前究竟有没有生命存在,这个研究做的比较少。

  摸索火星的挑衅

  我们要去火星的探险和月球的探险有很大年夜的差别。

  第一个,火星间隔很远,最远逾越4亿千米,近的时辰约是5500万千米,普通选择在大年夜约8000万千米的间隔发射探测器。第二个是温度,到了早晨会异常冷,达到零下143摄氏度,日间最热的处地点赤道邻近,也就是35摄氏度阁下。别的大年夜气异常淡薄,并且还有沙尘暴。

  环绕这三个特点,工程师怎样处理呢?

  不是不时辰刻飞去火星都是合适的,由于我们要找一个间隔合适的时间,每隔26个月有一个火星发射窗口。我们国度本来在2018年预备发射一个火星探测器的,然则由于各种缘由没有弄成,后来就拖到2020年。2020年的夏天,不管是欧洲、美国照样中国,都将往火星发射本身的探测器。飞到火星要花7个月的时间,从地球去月球只须要9天。在火星上要10多分钟才能把一个旌旗灯号传输回来,并且旌旗灯号传输的速度是很低的,我们曾经用上了5G,速度异常高,然则火星到地球也就是百k量级的比特,低传输效力限制了迷信的摸索。

  落到火星上今前面对三个挑衅。

  第一是沙尘暴,沙尘暴来了今后,火星车必须要把本身保护好,不然全部仪器会被掩盖掉落。并且沙尘暴来了今后,太阳能帆板下面的沙尘会降低动力的转化效力。

  第二是光照成绩,由于火星离太阳很远,在火星上接收到的太阳光能量只要月球外面的40%。我们国度的月球车是两块帆板,然则我们的火星车要由四块帆板构成的,如许才能能量保持大年夜致相当。

  第三是火星上的重力,月球的重力只要地球的六分之一,然则火星重力没有那么小,在火星下面要跑异样重量的火星车,须要的能量也比月球上要高。这三个成绩给火星车的应用带来了一些新的成绩。

  我们要去火星上的一个处所,起重要去选择着陆点,这是异常重要的,先从工程下去说,既不克不及是孤岛,又不克不及是陡坡,还不克不及是异常软的处所,不克不及让火星车下去就无前程、倾倒、或陷出来;别的,由于火星上有平地、峡谷,不克不及出来今后把太阳盖住了,没有光照就没有动力;并且还要推敲到通信,从迷信家的角度,异常欲望去的地位有很好的迷信研究价值。

  下图是美国NASA七次火星探测的着陆点,大年夜家可以看到2020年中国预定着陆区是在这两个处所(白色标记),为甚么要选两个预定着陆区?由于火星上有不肯定的大年夜气流和风暴,我们要根据实际情况来停止降低。左边的降低区的好处是我们会跟美国NASA的着陆点比较接近,大年夜家都邑在一块大年夜的区域来合营对火星外面停止摸索和研究,迷信数据可以停止国际化的共享。

中国2020年预定着陆区中国2020年预定着陆区

  着陆过程是最触目惊心的。我们中国月球探测30分钟叫“黑色30分钟”,在火星上有“恐怖7分钟”,今朝在国际上有三种降低方法,一个叫气囊式,“勇气号”、“机会号”都采取了这类方法——一个气囊上去今后弹跳,最后用不倒翁的道理翻开,包管火星车从外面出来。第二种方法是支架式,相当于有四条腿,像一张桌子一个板凳一样下去,固然先是降低伞,由于有大年夜气所以都要用降低伞,差别在于接近火星外面的时辰。第三种是起重机天抓式,由于火星外面的各类坑、石头特别多,支架式落在石头上会翻身,那车就要翻掉落了,所以采取了一种像直升机一样,可以把火星车放上去,下面的着陆器平移,来找一块相对平坦的区域。

气囊式着陆气囊式着陆

  我们国度的筹划是甚么?由于我们必须自给自足,所以我们也停止了创造。

  我们把支架式和起重机天抓式相结合。我们的着陆器也是有四条腿,也有降低伞,然则我们四条腿的着陆器本身具有避障的形式,可以自立避障平移。这项技巧是在探月工程外面来做的,探月工程着陆器在100米悬停的时辰,在50×50米的区域,可以在250毫秒内对月表区域停止三维摄影,然后找一个平坦的区域平移降低下去。嫦娥四号可以或许成功的落在月球的眼前,月球眼前的情况我们事前其实不知道,由于月球眼前陨石撞击坑异常多,由于有了这项技巧,地形不论多么复杂,都可以停止自立避障。2020年中国火星探测筹划,用了嫦娥奔月的技巧,再加上载人航天前往大年夜气层的降低伞加速两项技巧的结合。

  火星外面的元素探测

  NASA“猎奇号”下面搭载了α粒子X-射线光谱议,用激光枪击打物体的外面,做岩石矿物质成分的丈量,重要来肯定能否有水,能否有合适于生命存在的情况。中国的“玉兔一号”月球车跑了没若干米,“玉兔二号”到今朝就跑了100多米。在火星上跑的时间最长的火星车曾经有六年了,就是NASA “机会号”火星车,它跑了45千米,在遭受一次巨大年夜的沙尘暴今后,最后宣布它的义务终结。

NASA机会号火星车NASA机会号火星车

  我们国度的着陆器下面搭载了很多设备,一共有30公斤的有效载荷。我们课题组研究的是物质成分探测仪,在下面占了16公斤,个头异常大年夜。其他的还有导航相机,气候站等一些丈量设备。

  物质成分探测仪是用来做甚么的?它是用激光聚焦石头部分,气化产生等离子体(等离子体是原子里的外层原子摆脱原子核束缚成为自在电子,是一个电离的过程),等离子体在冷却过程当中会辐射出原子光谱,原子光谱代表这个元素的“指纹”。只需能测到等离子体冷却过程当中产生的光谱曲线的地位,就可以知道它代表甚么元素,旌旗灯号的强度可以或许反应元素的含量。这就是激光引诱等离子体光谱技巧。元素周期表外面绝大年夜部分元素都能测,一次激起就可以同时探测多种元素。

  除用激光激起物体元素以外,还有主动的短波红外光谱丈量。主动的短波红外光谱丈量经过过程光谱分析停止分子层面的丈量,可以测化合物的成分。

  这个仪器下面有一个二维指向镜,可以摇头晃脑到处看。我们的月球车下面的光谱仪装在车上动不了,最后是车到哪里只能看哪里,玉兔一号的车轮子坏了停在那边,最后只能永久看一个处所。我们在火星车下面弄一个可以动的镜子,如许哪怕火星车不动了,还可以到处看。这个黑色的外面是一个千里镜体系,外面还有激光器,最后有个定标板。跟美国比拟我们少了一个拉曼丈量的功能。

中国的着陆器与火星车中国的着陆器与火星车

  火星探测是由环绕器与火星车相结合,我们要停止星地的联动探测。也就是说在环绕器上还要再装一个光谱议,和火星车上的主主动结合,两个停止比对丈量。在环绕器上装了一个火星矿物光谱分析仪,是一台推帚式的分子光谱探测设备。这个光谱探测设备可以或许供给多个波段的光谱信息,还有一个图象信息。

  光谱丈量能发明甚么?我们以嫦娥四号为例解释。假设说月球是个白煮蛋的话,蛋白里究竟装了甚么?实际上大年夜型的固态天体都存在如许的成绩。迷信家假定月幔和地幔是一样的,那么外面应当有橄榄石存在。嫦娥四号的着陆点异常巧,起首我们选择了一个艾特肯盆地,这是最陈旧的撞击盆地之一,同时落的那个处所冯·卡门撞击坑是个二次撞击坑,所以它无机会经过过程陨石的撞击,把月幔里深层的物质抛射到月球的外面。也异常巧,玉兔二号正好降低到了这个区域,经过过程对两个探测点泥土的光谱探测,取得的数据显示嫦娥四号着陆区的月壤物质中,橄榄石相对含量是最高的,低钙辉石次之。我们在实际数据收集下面第一次证清楚明了迷信家的猜想,有消息称中国发清楚明了美国阿波罗筹划都没有发明的一个新的迷信发明。

  我国的深空探测

我国深空探测筹划我国深空探测筹划

  我国在2020年前曾经经过过程嫦娥一号到嫦娥四号和本年的嫦娥五号的发射,将完成对月球的“绕”、“落”、“回”第一个三部曲。在2020年今后2030年前,我们国度将要停止月球南极极区资本的开辟应用。上个月特朗普给美国NASA增长16亿重返月球的经费需求,在2024年前美国要重返月球,要把第一个女宇航员送到月球,送到月球的南极极区。

  为甚么要去极区?在月球的极区,由因而永久暗影区,外来陨石带来的水都贮存在那边,没有挥发掉落,是固态水,所以大年夜家都想到极区建一个永久的实验站,在那边可以或许支撑我们的根本物质需求。我们国度在2030年前要实施月球极区资本开辟应用实验,中心要有好几个实验,我们要去探测月球南极,然后再降到月球南极,再把无人的设备装上去,在2030年之前重要照样停止无人的迷信考察,然则在前期会推敲有人的实验。

  第二条线就是在深空探测这条线,我们不克不及只关怀月球,月球离地球太近了,火星是最合适改革成人类栖息的星球,所以我们在2030年前还有两次火星的探测义务,还要把火星的样本从火星带回地球。还有一个就是小行星,小行星带是妨碍地球冲出太阳系的妨碍,然则小行星带富含资本。打个比方,铂金是异常名贵的,然则迷信家经过远间隔地理不雅测,认定有个别小行星满是铂金,假设满是铂金的小行星被拖回地球的话,能够我们的戒指都不值钱了,并且有的小行星还富含水,所以小行星探测、采样是今朝深空探测的热点,日本在这方面做的比较好。我们国度在2030年前应当有一次小行星的探测筹划。

  别的我们有个妄图,就是要飞出太阳系,我们要停止一次木星穿越。《流浪地球》外面把木星炸了,我们在炸之前先要看一看,然后穿越木星,看看太阳系的边沿。这个是我们国度在2030年前的三个重要的深空探测筹划。

  我们中国人在航天技巧方面,是个后起者,西方红一号,1970年发射到如今短短的50多年。然则近年随着深空探测全部筹划的生长,我们中国人走向宇宙的号角也愈来愈响了。

  我想人类摸索未知的欲望,有异常大年夜的豪情。宇宙究竟是怎样来源,怎样灭亡的,我想不管成果若何,人类的勇气和刚毅都将被雕刻在星空下。

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