60年超40個探測器 “洞察”號們這樣帶你看火星

　　美國東部時間5月5日7：05 ，美國加州范登堡空軍基地內(nèi)，搭載著“洞察”號火星探測器的宇宙神5號火箭成功升空，飛赴千萬公里之外的火星，對它展開為期728天的科學(xué)探測。

　　人類對這顆紅色行星的關(guān)注古已有之。在西方神話中，火星是戰(zhàn)神瑪爾斯的化身。而在我國古代，火星則因其在天空中軌跡的復(fù)雜多變而被稱為“熒惑星”。近代以來，隨著天文觀測技術(shù)的發(fā)展，人們開始通過望遠(yuǎn)鏡打量地球的這個行星近鄰，搞清了火星的一些基本性質(zhì)。然而，直到航天時代來臨后，人們才陸續(xù)通過各類航天器傳回的探測結(jié)果，對火星各方面的情況有了深入細(xì)致的了解。

　　在“洞察”號之前，已有超過40個探測器“前輩”以火星為目標(biāo)。它是太陽系中除月球外人類探測最多的天體。美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度等都加入了火星探測的行列，我國也正在計劃發(fā)射去往火星的探測器。

　　在太空競賽中開始的火星探測

　　對火星探測的第一次嘗試可以追溯到1960年。在人類第一顆人造衛(wèi)星上天僅僅3年之后，蘇聯(lián)便設(shè)計制造了“火星1A號”探測器，試圖飛掠火星進(jìn)行探測。但遺憾的是，這顆探測器發(fā)射失敗，開啟了蘇聯(lián)和俄羅斯火星探測的悲情史。

　　從上世紀(jì)六十年代至今，蘇聯(lián)和俄羅斯總共向火星發(fā)射過十多艘探測器，竟無一成功。有的探測器在發(fā)射階段就因事故損毀，有的探測器在飛行途中與地球失聯(lián)，有的則在好不容易到達(dá)火星并成功著陸后，僅正常工作了極短時間便終止工作。

　　2011年俄羅斯發(fā)射“福布斯”號火星探測器時，我國的“螢火一號”探測器和“福布斯”探測器搭車發(fā)射，計劃二者共同飛行到火星附近后再彼此分開，各自執(zhí)行探測任務(wù)。遺憾的是，“福布斯”探測器在地球附近的變軌過程中與地球失聯(lián)，我國的“螢火一號”也因此沒有執(zhí)行預(yù)定探測任務(wù)。

　　在上世紀(jì)六七十年代與蘇聯(lián)的太空競賽中，美國在火星探測方面取得了不俗的成績。在“水手3號”遭遇失敗后，1965年發(fā)射的“水手4號”成功地飛掠了火星，完成了人類使用航天器對火星進(jìn)行的首次探測。所謂飛掠探測，是指探測器飛行到距離火星較近的地方進(jìn)行一段時間的探測后隨即離開。這樣的探測對變軌技術(shù)的要求相對較低，是火星探測的“初級階段”。

　　“水手4號”傳回了22張火星表面的照片，使人們觀察到了大小不等的環(huán)形山等地貌。同時，“水手4號”發(fā)現(xiàn)火星的大氣密度較低，存在電離層，沒有較強(qiáng)的內(nèi)稟磁場，因此也就不存在磁層中的輻射帶。這些發(fā)現(xiàn)都與人們之前設(shè)想的情況相反。其后，“水手6號”“水手7號”又執(zhí)行了兩次飛掠探測。

　　在環(huán)繞與著陸探測中加深認(rèn)識

　　1971年5月發(fā)射的“水手9號”，則把人類對火星的探索帶入了環(huán)繞探測階段。執(zhí)行環(huán)繞探測的飛行器在脫離地球到火星的轉(zhuǎn)移軌道時，需要在火星附近減速變軌，以被火星引力捕獲。由于火星與地球的距離遙遠(yuǎn)，與地球之間的通訊延遲長，準(zhǔn)確測定航天器的位置姿態(tài)困難大，因此火星附近的變軌控制也就更加復(fù)雜。

　　“水手9號”到達(dá)火星后，通過變軌進(jìn)入了距離火星表面約1300公里的軌道上�！八�手9號”的探測發(fā)現(xiàn)了火星地貌的南北半球不對稱性。在南半球，存在大量古老的隕石坑，在北半球則地勢相對平坦，兩種地貌特征的交匯地帶則是不規(guī)則的陡坡和低矮的小山。“水手9號”還發(fā)現(xiàn)，火星南半球存在酷似干涸河床的地貌，暗示火星過去可能曾經(jīng)存在河流，啟發(fā)科學(xué)家們進(jìn)一步對火星上是否存在或曾經(jīng)存在水進(jìn)行探測。

　　1975年8月和9月，美國相繼發(fā)射了“海盜1號”和“海盜2號”探測器。約一年之后，兩艘探測器的著陸器相繼在火星表面成功著陸，開啟了火星著陸探測的新階段。和后來人們熟悉的火星車有所區(qū)別的是，這兩個著陸器在著陸之后就不能移動了，只能進(jìn)行著陸點(diǎn)當(dāng)?shù)氐奶綔y。兩臺著陸器著陸后，記錄下了兩次全球性的塵暴天氣。人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，原來火星稀薄的大氣也能形成非常高的龍卷風(fēng)。兩艘“海盜號”飛船觀察到火星上有許多巨大的沙丘和丘陵，這些地貌可能是在風(fēng)力的作用下形成的。在對火星探測之前，人們一直幻想著火星上也許存在著建立了文明的智慧生物，不少科幻小說都以火星人大戰(zhàn)地球人為題材展開。而兩艘“海盜號”的分析表明，至少在采樣臂能夠到達(dá)的范圍內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)任何微生物，更不用說活蹦亂跳的火星人了。

　　尋找水與生命存在的痕跡

　　隨著美蘇太空競賽的偃旗息鼓，在兩艘“海盜號”飛船之后，火星探測進(jìn)入了暫時的沉寂。直到上世紀(jì)90年代，美國才又重新掀起了探測火星的熱潮。

　　由于地球和火星之間的飛行必須沿著一條被稱為“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”的路線飛行，而能夠成功到達(dá)火星又要求地球和火星的相對位置剛好合適，因此向火星發(fā)射飛行器的窗口每26個月才會出現(xiàn)一次。從1996年至今，每當(dāng)向火星發(fā)射飛行器的窗口出現(xiàn)時，美國幾乎都會向火星發(fā)射一對探測器。其中，一艘探測器在火星上著陸，對火星的各個特性進(jìn)行細(xì)致的就地探測，另一艘探測器圍繞火星飛行，使科學(xué)家們獲取對火星全球特征的認(rèn)識。此外，環(huán)繞火星飛行的探測器還是著陸探測器的“信使”，承擔(dān)著陸探測器和地區(qū)的通信中繼任務(wù)。

　　1996年，“火星探路者”號探測器攜帶的“旅居者”號火星車進(jìn)行了人類歷史上第一次在火星表面和地球系統(tǒng)以外的巡視探測。它的走行距離雖然只有100米左右，但意義卻可比肩人類在月球上留下的第一個腳印。同一窗口發(fā)射的“火星全球勘測者”號探測器以繞飛火星的方式探測，并為后來的“機(jī)遇”號和“勇氣”號火星車提供了部分?jǐn)?shù)據(jù)中繼服務(wù)。

　　通過“火星全球勘測者”號發(fā)現(xiàn)的可能由水沖刷而成的溝壑地貌及需要水環(huán)境才能形成的赤鐵礦，使科學(xué)家們更加確信火星上曾經(jīng)有水存在，并幫助科學(xué)家們確定了2003年發(fā)射的“機(jī)遇”號和“勇氣”號火星車應(yīng)該在何處著陸，才能獲得最豐富的科學(xué)產(chǎn)出�！皺C(jī)遇”號和“勇氣”號本來的設(shè)計壽命只有90天，然而“勇氣”號在火星上工作了六年多，“機(jī)遇”號更是至今仍在繼續(xù)工作�！坝職狻碧柡汀皺C(jī)遇”號發(fā)現(xiàn)了許多火星上曾經(jīng)存在水的證據(jù)，也讓科學(xué)家們獲取了對火星歷史上水文活動的細(xì)致資料。這兩艘火星車工作期間，95%的數(shù)據(jù)中繼任務(wù)都由環(huán)繞火星的“火星奧德賽”號完成。

　　2012年，一個功能更全面的火星車“好奇號”在火星表面著陸，其任務(wù)由尋找水?dāng)U展為尋找有機(jī)化合物等生命曾經(jīng)存在的證據(jù)，研究火星曾經(jīng)出現(xiàn)的宜居環(huán)境。

　　“洞察”號開啟火星探測新階段

　　隨著“洞察”號的發(fā)射，新一輪火星探測的大幕即將開啟。“洞察”號在火星著陸后，將會把人類對火星的探測由火星外層和火星表面擴(kuò)展到火星內(nèi)部。通過搭載的地震儀和熱傳導(dǎo)儀，“洞察”號將對火星的地殼、地幔和地核及火星內(nèi)部熱量的逃逸過程做出探測，揭示不同巖態(tài)行星間的地質(zhì)活動差異，使科學(xué)家們更好地理解行星的形成和演化過程。而即將于2020年發(fā)射的“火星2020”號火星車，其基本設(shè)計和“好奇”號火星車類似，但搭載的科學(xué)儀器功能與“好奇”號不同�！盎鹦�2020”號的科學(xué)探測數(shù)據(jù)將進(jìn)一步豐富對火星宜居性和生命存在證據(jù)的研究。此外，“火星2020”號還會對今后載人登陸火星的任務(wù)進(jìn)行前瞻性探測。例如，它將會探測火星表面的塵埃是否會對載人登陸火星任務(wù)產(chǎn)生威脅，測試通過火星大氣中的二氧化碳產(chǎn)生氧氣供宇航員使用的技術(shù)。

　　2016年1月，我國的首次火星探測任務(wù)正式批準(zhǔn)立項(xiàng)。和嫦娥探月工程的繞、落、回三步走不同的是，我國的火星探測計劃將同時實(shí)現(xiàn)對火星的環(huán)繞探測、著落探測和巡視探測。目前，我國火星探測工程的各項(xiàng)工作正在穩(wěn)步推進(jìn)當(dāng)中，預(yù)計將于2020年發(fā)射去往火星的探測器。

　　（李會超 作者系中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心博士生）