科学探索：中国首次火星探测任务已准备就绪

天问一号火星着陆器和火星车概念图。
图源：中国国家航天局
今年7月，一枚宽5米、高57米的火箭即将从我国南部的海南岛发射升空，我国正在低调地为首次独立火星之旅做最后的准备。当发射窗口在7月中旬打开时，我国科学家将向火星发射探测器。在古代，这颗行星在天空中的明暗变化和位置移动曾久久困扰着我们的祖先。
这艘航天器名为“天问一号”，这个名字取“探问宇宙真相”之意，它将携带13个科学仪器飞向火星，分别从行星轨道和行星表面对其进行检测。“天问一号”将研究火星的水冰分布情况，以及火星的自然环境演变过程和可居住性。这项任务将由轨道飞行器、着陆器和探测器共同完成，是“中国在首次尝试中所能做的最雄心勃勃的事情，”乔治华盛顿大学（George Washington University）的太空政策专家John Logsdon说。
回首过去，并不顺利
然而，这个任务圆满完成的可能性并不乐观：到目前为止，人类曾数十次尝试发射航天器进入火星环绕轨道或登陆火星，但只有约一半的任务成功了。在“高调”失败了几次之后，美国宇航局终于成功部署了5个着陆器、4个探测器和多个轨道飞行器，为科学家和公众揭开了火星世界的神秘面纱。但中国在地球之外的太空飞行经验仅限于几次成功的机器人探月任务，以及2011年搭载在俄罗斯“火卫一”上的人造卫星，而这次任务也失败了。


图源：pixabay
Logsdon表示，重达5吨的“天问一号”主要面临两大风险。首先，中国最强大的重型运载火箭“长征五号”只发射过三次，其中2017年那次还失败了，当时火箭起飞后不久就出现了故障。科学家们花了两年多的时间解决了长征五号的芯一级发动机故障，并在2019年底成功完成了一次飞行。然而，它的过往记录还是让看客们感到紧张。
其次，“天问一号”着陆器必须在火星大气中航行，火星大气太厚，足以使探测器过热，但又太薄，不足以使探测器充分减速。航天器的进入、降落和着陆需要使用隔热板、降落伞和反向引擎来减缓下降速度，这种程序设计与美国早期的任务类似。然而，当飞船离火星地表仅100米时，它就会停下来，拍摄该区域的快照，并迅速计算出最佳着陆点。然后它将水平移动到该地点上方的中心位置，打开着陆器的四条腿，小心翼翼地着陆。
2019年11月，专家们在河北省测试了这部分着陆程序，此前我国曾在登月任务中成功使用过这部分程序。外国官员还被邀请到现场观看测试。那是“天问一号”的最后一次大型公开活动。此后，中国国家航天局（CNSA）一直保持低调，本次任务相关的科学家拒绝了几乎所有的采访。
科技未来，许是机遇
如果天问一号成功着陆，它的研究可能会从全新角度揭开火星的神秘面纱。例如，其轨道飞行器和火星车都装备了一个可以绘制火星地表下的地质层图的探地雷达。轨道飞行器上的雷达可以“看到”几千米深的地方，而火星车上的则可以看到较浅的地方，但分辨率只有几厘米。法国格勒诺布尔行星科学和天体物理研究所（Institute for Planetary Sciences and Astrophysics of Grenoble）的Wlodek Kofman认为：“中国（使用这些雷达）的主要目的是探索火星表面下的水冰层。”
“天问一号”能够测量火星磁场的能力令亚利桑那州立大学（Arizona State University）的Jim Bell兴奋不已。Bell是美国宇航局“毅力号”（Perseverance）火星车主摄像头的首席研究员。他说，一种普遍的假设是，这颗红色星球曾经有一个像地球一样的全球磁场。然而，当其相对较小的熔铁核心冷却下来时，火星逐渐失去了磁场的保护，暴露在了太阳风和辐射之下，因此大气层变薄，曾在火星表面流动的水也可能因此而消失。自2014年以来，NASA的火星大气与挥发性演化（MAVEN）任务已经发现了足够的证据来支持这一假说，但科学家们希望这个拼图更完整一点。Bell表示：“天问一号在从不同轨道和地面提供更多证据方面非常有用。”他希望中国团队能与国际社会分享火星环境演变的数据。


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“天问一号”的着陆目标在“乌托邦平原（Utopia Planitia）”南部，这是在火星赤道以北25~30度之间的一大片平地。长期以来，地质学家一直怀疑这个地区被古老的泥石流所覆盖，这表明该地区过去曾储存过水。亚利桑那大学（University of Arizona）的行星地质学家Alfred McEwen说：“这是一个有趣的地方，可以用来对火星以前的地下可居住性进行调查。”
大国重器，系列首发
McEwen指出，火星车在地表以下发现水的机会可能受到纬度的限制。因为火星车的电力来自太阳能电池板，所以它必须呆在赤道附近。然而大多数研究人员认为，如今火星表面以下的水和冰主要存在于高纬度较冷的地区。
中国科学院上海技术物理研究所的舒嵘教授表示，天问一号对太阳的依赖迫使我们团队设计出坚固的仪器。他补充说：“由于我们的探测器没有使用放射性同位素供能，所有的仪器在静止状态下都需要忍受-90℃的低温，而且它们的工作温度范围在-40℃到-30℃之间。”
探测器的有效负载之一是火星表面成分探测仪（MarSCoDe），舒嵘教授领导了它的设计过程。与美国宇航局“好奇号”（Curiosity）探测器上的“ChemCam”类似，MarSCoDe可以发射短激光脉冲，在几米外蒸发岩石表面。然后该仪器将“闻”出这些微型爆炸产生的电离气体，以确定岩石中化学元素的类型和数量。
天问一号预计将于2021年2月抵达火星。它将在停泊轨道上停留约两个月，等待最佳着陆时机和地面条件。我国将通过不断扩大的射电望远镜跟踪和接收站网络维持地球和探测器之间的通信。
我国科学家已经在为“天问”系列的更多任务做准备，包括从火星和一颗小行星带回岩石样本、飞越木星、探索太阳广阔的日球圈边缘。Logsdon表示，如果天问一号按计划到达火星，“它将把中国的太空探索事业推向一个新高度。”
关于作者
Ling Xin
物理学、天文学、航天和相关领域
翻译：张玉
审校：施怿
引进来源：科学美国人
引进链接：https://www.scientificamerican.com/article/chinese-spacecraft-poised-for-first-mars-mission1/


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