火星探测器|26个月一遇的火星探测器发射窗口开启！细说火星探测的两次高潮
2020年7月中下旬到8月上旬是26个月一遇的火星探测器发射窗口 ， 中国、美国和阿联酋都计划在此期间发射各自的火星探测器 ， 其中阿联酋已于7月20日率先实施了发射 。
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中国火星车示意图
火星是太阳系中与地球最相似且距离第二近的行星 ， 所以成为目前除地球以外人类研究程度最高的行星 ， 人类用空间探测器对火星进行探测的历史几乎贯穿整个人类的航天史 。 我们特约中国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩就人类探测火星历史的有关问题为读者一一解答 。
问：到目前为止 ， 人类探测火星的基本情况是什么？
答：火星与地球最为相似 ， 所以探测火星 ， 了解火星的起源和演化 ， 有助于人类进一步认识地球和太阳系的形成和演化 ， 预测地球的未来变化趋势 。
火星上是否有水、有生命 ， 是目前人类最关心的 。 探测火星生命的起源和演化 ， 可促进对地球生命乃至太阳系的起源和演化的研究 。 以及了解人类在宇宙中的地位和最终的命运 。
大量迹象表明 ， 火星以前很可能与目前的地球一样 ， 只是经过几十亿年的演化才变成今天大气层稀薄、温度较低、水源枯竭这个样子；而另一颗离地球很近的行星——金星正好与之相反 。 所以 ， 不少天文学家推断 ， 火星是地球的未来 ， 金星是地球的过去 。 因此 ， 要深入探测火星 ， 对研究地球的演变 ， 防止它变成人类难以生存的第2个火星具有促进作用 。
从长远看 ， 火星探测还有可能解决未来地球上一些难以解决的问题 。 例如 ， 地球可能总有一天会遭受地外星球的撞击而毁灭 。 因此有些科学家已经开始研究向外空移民的方案 ， 以保留人类的延续 。 由于火星与地球最为相似 ， 所以不少科学家认为可先把火星改造成适合人类居住的第2个家园 ， 然后向火星移民 。
人类的火星探测起步于1960年 ， 到今年6月底 ， 全球共实施了44次探测火星活动 ， 美国21次 ， 苏联及后来的俄罗斯19次 ， 日本1次 ， 欧洲2次 ， 印度1次 。 其中完全成功的探测有19次 ， 完全成功或部分成功的探测有23次 ， 成功率约43% 。 所以 ， 探测火星十分不易 ， 主要原因是火星距地球遥远 ， 环境复杂 。
迄今为止 ， 成功登陆火星的探测器有8个：“海盗”1号、“海盗”2号、探路者、机遇号、勇气号、凤凰号、好奇号、洞察号 ， 它们都是美国研制的 。
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美国“机智”号火星无人直升机
目前工作的火星轨道器有6个 ， 火星着陆巡视器有2个 。 其中轨道器包括美国的“火星奥德赛”、“火星勘测轨道器”、“火星大气与挥发物演变” ， 欧洲的“火星快车”和“微量气体轨道器” ， 印度的“曼加里安”；着陆巡视器包括美国的“好奇”号火星车和“洞察”号着陆器 。
问：据您介绍 ， 人类探测火星历经了两次高潮 ， 那么第一次高潮的具体情况是什么？
答：1960年至1975年 ， 是人类探测火星的第一次热潮 ， 美苏两国共进行了23次发射 。 当时美苏主要是为了政治目的 ， 在包括火星探测在内的许多航天领域开展了激烈的竞争 ， 以显示各自的航天实力 。 但在这一阶段也取得了不少探测火星成果 。
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苏联“火星”3号探测器
在这期间 ， 苏联先后发射了多个“火星”系列探测器 ， 但大部分失败了 。 其中“火星”3号着陆舱在火星表面软着陆 ， 虽然仅发送20秒钟电视信号 ， 但它是第一个到达火星表面的探测器；“火星”5号是苏联首个进入火星轨道的探测器 ， 并发回火星照片；“火星”6号在着陆过程中对火星大气进行了短暂的观测 ， 发回了火星大气参数 。 苏联还向火星发射了“探测器”2号和“宇宙-419”探测器 ， 但都失败了 。
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美国“水手”4号火星探测器
同一时期 ， 美国向火星发射了6个“水手”系列火星探测器 ，成功了4个 ， 其中1964年“水手”4号从离火星约1万千米的地方掠过 ， 回传了世界第一张火星表面的照片；“水手”9号于1971年成为世界第一个进入火星轨道的探测器 ， 拍摄了85%的火星表面 ， 并为后来的“海盗”1号、“海盗”2号在火星着陆探测选定了地点 。
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【火星探测器|26个月一遇的火星探测器发射窗口开启！细说火星探测的两次高潮】美国“海盗”1号轨道器释放着陆器示意图
1975年 ， 美国先后发射了“海盗”1号、“海盗”2号探测器 。 它们基本一样 ， 都是由轨道舱和着陆舱组成 。 在进入火星上空时两者分离 ， 轨道舱绕火星飞行 ， 而着陆舱则在火星表面上软着陆 。 “海盗”1号、“海盗”2号是世界第一对通过一次发射完成环绕探测和着陆探测两种探测方式的火星探测器 ， 获得了大量有用的科学数据 。
由于火星探测耗资巨大 ， 再加上美苏竞争战略重点转移 ， 美国大力发展航天飞机 ， 而苏联则大力发展空间站 ， 所以此后全球火星探测进入低潮期 ， 只是在1988年苏联发射了“火卫”1号、“火卫”2号两个火星探测器 。
问：在火星探测的第二次高潮中 ， 美国到目前为止似乎扮演了比较主要的角色 ， 美国在这方面主要有哪些动作？
答：20世纪90年代至今是人类探测火星的第二次热潮 ， 到今年6月底共进行了19次发射 。 这次探测火星高潮与第一次高潮不同 ， 主要是为了科学和工程目的 ， 即以发展新技术和获得科学发现为主 。 美国实施了庞大的“火星生命计划” ， 发射了不少新型火星探测器 。 欧洲航天局、印度也成功探测了火星 ， 打破了火星探测领域的垄断 。 而且 ， 这一阶段的火星探测成功率大为增加 ， 21世纪发射的火星探测器都取得了成功或部分成功 。
美国在时隔17年后 ， 率先于1992年发射了“火星观测者”探测器 。 不过 ， 它在即将到达火星时与地球失联 。
经过4年的技术改进 ， 美国于1996年开始实施庞大的“火星生命计划” ， 即寻找火星生命 。 在这一年里 ， 美国先后成功发射了“火星全球勘测者”和“火星探路者”探测器 ， 以确定火星上是否存在生命 。 其中 ， 更先进的“火星全球勘测者”拍到的图像表明 ， 当年“海盗”1号轨道舱拍到的所谓火星“人脸”只不过是一座小山 。 “火星探路者”则携带了世界第一辆火星车“旅居者” 。
但是 ， 美国在1998年和1999年分别发射的“火星极区着陆器”、“火星气候轨道器”双双遭受了失败 。
进入21世纪后 ， 美国于2001年成功发射了“火星奥德赛”探测器 ， 首次发现火星地表下面存在水冰 。 目前用于为火星着陆器和火星车中继数据 。 此后 ， 美国火星探测器均成功探测火星 。
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美国“勇气”号火星车
2003年 ， 美国先后发射了第二代火星车“勇气”号和“机遇”号 。 这对“双胞胎”性能更为优异 ， 使科学家更好地了解了火星 ， 并再次证实火星上有水 。
2006年进入火星轨道的美国“火星勘察轨道器”是目前最先进、最大的火星轨道器 。 它运行在200千米高时 ， 分辨率可达到0.3米 ， 这对研究分层物质、冲击沟、河道等很有利 ， 并用于为其他着陆器、火星车确定着陆区和中继数据 。
2007年 ， 美国“凤凰”号火星着陆器升空 。 它是第一个在火星北极地区着陆的探测器 ， 因为那里可能有一部分水冰 ， 它在那里工作了一个夏天 。
2011年美国发射了第三代火星车“好奇”号 。 它所带科学仪器质量是第二代火星车的15倍 ， 还首次使用了核电源技术和“空中吊机”着陆技术 ， 这样可免受火星沙尘暴的覆盖而影响发电效率 ， 精确在火星表面着陆 。
2014年 ， 美国“火星大气与挥发物演变”进入火星轨道 。 它是世界首个研究火星上层大气的探测器 ， 帮助了解火星大气气体逃逸到太空对火星气候演变所产生的影响 。
2018年 ， 美国“洞察”号在火星安全着陆 。 它用于为火星做“CT” ， 精确掌握火星震和其他火星内部活动 ， 探测至火星表面下5米来自火星地核的热量 。
问：在第二次火星探测高潮中 ， 其他国家和组织主要有哪些行动？
答：从1998年起 ， 日本、欧洲和印度也开始研制和发射各自的火星探测器 。
1998年 ， 日本发射了首个火星探测器“希望”号 ， 但由于推进器故障 ， 最终没有进入火星轨道 。
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欧洲“火星快车”轨道器
2003年 ， 欧洲航天局第1个火星探测器“火星快车”升空 ， 成为继苏联、美国和日本之后世界第4个发射深空探测器的国家或组织 ， 世界第3个成功探测火星的国家或组织 。 它由轨道器和着陆器组成 ， 其中“火星快车”轨道器成功进入火星轨道 ， 获得超出预想的数据 ， 但其“猎兔犬”2号着陆器着陆失败 。
2016年 ， 欧洲航天局与俄罗斯合作研制的“火星生物学-2016”探测器升空 。 它由“微量气体轨道器”和“夏帕雷利”着陆器组成 。 其中“微量气体轨道器”成功进入火星轨道 ， 但“夏帕雷利”着陆器还是没能成功着陆 。
2011年 ， 俄罗斯发射“火卫一-土壤”探测器 。 这次火箭虽然没出问题 ， 但探测器发生了故障 ， 使探测器没能进入地火转移轨道 ， 最后再入地球大气层烧毁 。
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印度“曼加里安”火星轨道器
2013年 ， 印度第一个火星探测器——“曼加里安”升空 。 它于2014年成功进入火星轨道 ， 并发回所拍摄的火星照片 ， 从而成为继苏联、美国和欧洲之后世界第4个成功探测火星的国家或组织 ， 也是亚洲第一个成功探测火星的国家 。
问：今年的火星探测器发射窗口已开启 ， 中国、美国和阿联酋各自的火星探测器都计划在此期间发射 ， 它们各自的科学目标是什么？
答：我国“天问”1号火星探测器由环绕器、着陆巡视器组成 ， 它将用“长征”5号遥4运载火箭发射 ， 2021年进入火星轨道后 ， 其着陆巡视器将择机与环绕器分离 ， 在火星表面着陆 。
“天问”1号的科学目标有五项：研究火星形貌与地质构造特征；研究火星表面土壤特征与水冰分布；研究火星表面物质组成；研究火星大气电离层及表面气候与环境特征；研究火星物理场与内部结构 。
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美国“毅力”号火星车示意图
美国的“火星-2020”探测器由巡航级、下降级、减速器和“毅力”号火星车等部件共同组成 ， 最后只有“毅力”号火星车降落在火星表面 。 其有四项科学任务：研究火星的地质特征；确定火星上是否曾经存在生命；研究火星气候状况；测试火星大气中的氧气产生机制以及各种大气参数数据 。
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阿联酋“希望”号火星轨道器飞行示意图
日前发射的阿联酋首个火星探测器“希望”号如同一颗火星的气象卫星 ， 其科学探测目标有四个：探索氧气和氢气从火星大气中散逸出去的内幕；研究古今火星气候之间的联系；寻找火星下层大气与上层大气之间的联系；构建最全面的火星大气整体模型 。 为此 ， 它载有3台科学有效载荷：阿联酋探索成像仪、阿联酋火星红外光谱仪、阿联酋火星紫外光谱仪 。
问：最后一个问题 ， 都说火星探测难度很大 ， 难度主要体现在哪里？
答：火星探测要闯7道难关 。
一是发射难 ， 火箭需把探测器至少加速到11.2千米/秒的第2宇宙速度才能直接脱离地球引力飞往火星 。
二是通信难 ， 由于火星距离地球遥远 ， 所以从火星探测器发回到地球的信号变得十分微弱 ， 为此 ， 对测控通信提出了很高要求 。
三是控制难 ， 由于距离地球遥远 ， 火星探测器信号传输延时很长 ， 单向达10-20分钟 ， 所以探测器需要有更高的自主性 。
四是能源难 ， 由于距离太阳遥远 ， 因此对火星探测器上的太阳能电池提出了很高的要求 。
五是入轨难 ， 探测器在切入火星轨道过程中 ， 要自主适时精确选择适当的切入距离、切入角度、切入姿态和切入速度等 ， 稍有偏差就会失败 。
六是着陆难 ， 探测器进入火星大气层后 ， 要自主适时精确完成调姿、进入、开伞、切伞、启动反推火箭、悬停避障、关闭发动机、着陆等一系列动作 ， 每个环节都不能有闪失 。
七是工作难 ， 着陆后也不是万事大吉 ， 探测器还要经受火星巨大沙尘暴、低气压、低重力、强辐射和低温等方面的考验 。
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