人类会移民火星吗?十问首次火星探测

浏览次数:471来源:尚信诚

 

 新京报讯(记者 邓琦 倪伟)7月23日12时41分,长征五号遥四运载火箭在海南文昌航天发射场发射升空,成功将执行我国首次火星任务的探测器——“天问一号”送入预定轨道。

  火星探测的核心问题是什么?哪一步最难?火星移民还有多远?人类为什么要探测火星?

  近日,新京报记者采访中国科学院地质与地球物理研究所研究员、副所长、天问一号首席科学家助理、鸿鹄专项首席科学家魏勇,中国科学院地质与地球物理研究所副研究员、鸿鹄专项行星光学遥感首席科学家何飞,中国科学院国家天文台研究员郑永春,以及国家空间天气预报台副台长郭建广,揭示我国首次火星探测的奥秘。

  一问:为什么选取7月23日作为发射的时间窗口?

  何飞:发射窗口的选取跟很多因素有关,最主要的因素是地球和火星之间的公转周期关系。我们知道火星绕日公转的周期大概是687个地球日,将近地球上的两年,也就是说,如果是地球和火星从同一个经度出发的话,地球绕大约两年之后,火星和地球又会回到同一个地方,也就是一般常说的火星冲日,火星、地球、太阳几乎排列成一线。

  在这种情况下,大约每26个月出现一个火星探测器发射窗口,地球到火星之间的飞行路径是最短的,也是最省燃料的,因此一般选择在这一段时间去发射。具体的发射日期确定,还跟实际的轨道设计、火箭的发射运载能力、地面气象、空间天气等密切相关。

  二问:火星探测的核心问题是什么?

  魏勇:火星科学研究的核心问题,就是火星的水是怎么演化的。火星表面上有河流的痕迹,曾经有大量的液态水在火星表面流动,为什么今天一滴水都看不到?这是非常奇怪的。

  如果有大量液态水存在,就表明人类有可能在上面居住。判断一个行星对于人类是否宜居,第一个标准就是表面必须有大量的液态水流动,即河流海洋。其次,是大气里必须有氧气,即使大气里没有氧气,只要有水,可以用水制造出氧气,所以,水是最重要的。

  现在我们已基本知道火星的水逃逸到行星际空间去了,也就是离开了火星,逃到了太空中,并且以一种不可逆的、永远不再回来的方式。在过去几十亿年的时间里,火星表面的液态水几乎全部逃逸掉了。

  所以我国的火星探测,一个非常核心的问题是水是怎么通过大气层逃逸的?围绕这个核心问题,在天问一号之后,后续还有其他探测,要对火星的土壤进行取样返回,在实验室里进行非常详细的分析,具体看一看它的宜居性到底如何,它的水到底去了哪里?以多大的速率逃逸?

  三问:为什么此次选择乌托邦平原着陆?

  魏勇:在选择着陆点过程中确实经历了很多次的遴选过程,工程方面的考虑是尤为重要的。从科学方面讲,着陆区的地质特征、磁场条件等都非常独特,科学家团队期望能有重要的科学发现。

  四问:这一次火星探测的科研目标中,有没有哪一些是前人没有涉足过的领域?

  魏勇:有,我举个例子,火星车上放了一个磁强计,它能够探测着陆地区的火星磁场,预期的探测结果对于我们理解火星的空间环境变化特性,甚至磁场演化过程都十分有意义。火星跟地球一个最大的区别是没有一个全球性的磁场,它只有局部的磁场,这次获得的结果应当是非常有意义的。

  五问:天问一号的科学目标是什么?

  何飞:火星探测围绕着一个主题是生命,即火星上有没有可能存在过生命或者有没有可能支撑生命。天问一号的科学目标也围绕这个主题来展开,经过前期科学团队的论证,确定了以下科学目标:

  研究火星形貌和地质构造特征,通过探测火星全球地形地貌特征,获取典型地区高精度地形地貌数据,开展火星地质构造成因以及演化研究。

  研究火星表面土壤特征与水冰分布,水冰的发现在火星上已经有很长时间,但是它的一些详细分布特征还值得去深入研究。探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布,搜寻水冰信息,开展火星土壤剖面分层结构研究。

  研究火星表面物质组成。识别火星表面岩石类型,探查火星表面次生矿物,开展表面矿物组成分析。

  研究火星大气电离层及表面气候与环境特征。探测火星空间环境及火星表面气温、气压、风场,开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究。

  研究火星物理场与内部结构。探测火星磁场特性。开展火星早期地质演化历史及火星内部质量分布和重力场研究。

  六问:此次火星探测任务为期多久?

  何飞:根据探月与航天工程中心公布的信息,此次火星探测通过一次发射任务实现火星环绕、着陆和巡视三大任务,所以整个探测周期跟三大任务相关。发射后,会经过一个非常漫长的飞行过程,然后到达火星。

  飞行过程大概需要7个月,预计明年2月份左右到达火星,在火星附近会实施一个制动,然后被火星捕获,捕获之后会首先进入环火星的一个大椭圆轨道,大概是10个火星日这么一个轨道(一个火星日约1.02地球日)。然后在轨道上实施一些轨道机动,逐渐靠近火星、逐渐到达越来越近的轨道,完成一些着陆区的预先探测和着陆点的调整。

  然后它会择机,即根据轨道的情况择机释放着陆巡视器。这个时候环绕器会进行一些轨道调整,成为一颗中继星,来为着陆器和巡视器提供信号的一个中继。着陆器和巡视器它与环绕器分离之后,它就会进入火星的大气再入的过程。

  火星跟月球一样,大气非常稀薄,接近真空状态。通过着陆器的气动外形降落伞,还有反推发动机等多种手段缓冲,它会软着陆于火星表面。

  着陆以后,火星车和它承载的平台会分离,开始在火星上开展巡视科学探测。在这个过程中,环绕器在中继通信的轨道,为火星车提供通信链路,环绕器上相关的载荷会开展科学探测,大概会运行90个火星日以后进行轨道调整,这里的火星日大概和地球日的时间差不多,进行轨道调整之后,最后它会进入一个遥感的使命轨道,开展相关的科学探测。

  七问:火星探测有哪些难点?

  郑永春:火星探测是一个技术非常困难的项目,现在为止全球大概进行了40多次火星探测,成功率大概不到一半左右。所以大家首先会觉得火星探测的失败率非常高,难度非常大,这是一个客观现实。

  但所谓成功率不足一半是指从1960年到现在大概60年的时间里一个整体的统计数据,如果看上世纪90年代以来或者2000年以来,火星探测的成功率可能会达到80%以上,因为2000年以来火星探测的相关技术已取得了重大突破,技术越来越成熟。

  对于中国的第一次火星探测来讲,最大的问题就是未知,我们是第一次去,我们甚至没有火星的大气第一手数据,因为我们没有实地探测过这个数据,是用前人的一些积累经验进行探测,所以这里面不确定性可想而知。

  首个关键的节点当然是发射,不管任何时候脱离地球引力都是一种高风险,像长征五号这样一款新型火箭,发射的次数有限,更需要保持一个谨慎的态度,确实会存在一定风险。

  第二个关键节点,当火星探测器从地球发射升空,进入到奔火轨道入口时,就跟航天器分离,航天器将独自奔赴火星,奔赴火星七个月之后,最关键的一个节点就是要在火星附近刹车。刚抵达火星附近时,时速非常高,至少上万公里以上,此时刹车点非常关键,如果刹不住,就不会环绕火星,如果运气不好,还有可能撞上去,当然这个可能性比较小。所以,刹车的节点直接决定了我们能不能成功环绕火星。

  第三个关键节点、对全世界来讲也最困难的就是进入火星大气的过程。我们叫“恐怖7分钟”或者“黑色7分钟”,即航天器从火星上空进入火星大气层,短短7分钟直接决定了航天器的生死。因为火星和地球之间的遥远距离,地球上无法控制指挥,这个过程只能靠航天器自动调整,只能靠设计好的程序来执行,没办法进行干预,接下来只能听天由命,看它在7分钟之后能不能告诉我们一个成功的信号,这个风险确实非常大。

  最大困难是既要环绕也要着陆,着陆后还要开出一个小车,难度是一步步递增,我国探月工程等成功经验给火星探测奠定了非常好的基础,也会使得这次火星探测增加很多信心。

  八问:空间天气将如何影响探测器?

  郭建广:我们普遍理解的天气是指30公里以下的大气层的活动现象,比方说刮风大雨,这都属于地面天气的范畴。30公里以上中高层大气、电离层、磁层,一直到太阳,整个日地空间范围内的空间环境的状态或者变化,我们称为空间天气。

  空间天气会影响人类天基和地基技术系统的正常运行和可靠性,空间天气事件的主要源头就是太阳活动。通俗点说,主要影响的是航天器的安全运行,其次是导航和通信。

  正如人们的生活受到自然界的风霜雨雪影响一样,静谧的太空也有着神秘莫测的“空间天气”。 空间天气中的“风” 是太阳风, “雨” 是来自太阳的带电粒子雨。剧烈变化的空间天气状态对人类的航天活动的有非常严重的影响,空间天气灾害可使卫星提前失效乃至陨落,通信中断,导航、跟踪失误等。

  自地球上有生命以来,地磁场在地球表面形成的庞大磁层,保护了地球的大气层,而且浓厚的大气层中和了大部分宇宙射线对人类和其他生命的伤害性辐射。对于环绕地球的卫星来说,地磁磁层对它们也有一定的保护作用。火星探测器在行进过程中,大部分时间处于行星际空间,少了地球的磁层天然保护屏障,探测器就会受到来自宇宙线和太阳高能粒子直接影响,有可能发生单粒子事件,就会对探测器的安全飞行产生影响。

  而且随着时间推移,火星探测器离我们越来越远,信号的延迟最长可达20分钟,对探测器的状态监测和异常应对,总是在滞后,因此火星探测器奔火旅程有点像“裸足狂奔”,需要一些特别的设计,才能保证它按照既定路线前进。

  后期的环绕,降落和巡视,更需要综合考虑火星地表的尘埃和沙暴,火星大气和空间环境,这些与地球的差异比较大,都需要空间天气的保障,因此空间天气贯穿了火星之旅的全过程。

  九问:如果探测发现火星适宜人类居住,未来我们会移民火星吗?

  魏勇:按照目前的理解,太阳现在处于壮年期,当它演化到老年期的时候,会变成红巨星,甚至可能会膨胀到地球的轨道,让地球不再宜居。有没有可能移民其他行星?这个是当前大家比较关注的问题。我认为,不是没有这种可能性。

  但是,即使研究发现火星可能支撑人类居住,开展火星移民也还有漫长的路,代价非常高昂。可能会有一部分比较热衷于冒险、有好奇心的人作为探路者率先移民到火星。这一少部分人在火星上建立有人值守的科研站和一些人类比较初步的聚集地等,应该会有很多人热衷于从事这样探索性的工作。

  十问:人类为什么要探测火星?

  魏勇:人类对行星探测的热情主要是好奇心驱动,这个好奇心主要是来自于对哲学终极问题的思考:我们人类从哪里来,向哪里去,我们在宇宙中是否孤独?对这三个问题追寻答案的过程贯穿所有的古老文明,尤其表现在神话体系上。作为四大文明的中华文明就十分典型。

  人们曾经认为最有可能在月球上找到生命,接着把希望放在火星上,然后又把目光投向土卫六等更远的行星卫星。在过去的半个世纪,人造飞船几乎访问了所有行星和大部分的重要天然卫星,最终发现,可能还是火星存在生命的希望最大。

  至少我们已经知道,火星在40亿年前曾经是温暖湿润,遍地是河流的。那么火星的现在到底代表了地球的昨天还是明天?人类还能在地球上生存多久?人类有可能移民火星吗?这些涉及全人类的问题让火星成为行星探测最重要的目标。而且,对火星的探测与研究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。

  行星探测也是当今难度最大的科学探测活动,进行一次行星探测,需要举全国之力,需要基于前沿的行星科学研究,以及先进的工业制造,通常进行一次探测,至少需要成千上万人进行团队协作,各种尖端技术相结合。

  所以从某种角度上讲,行星探测能够很好地体现综合国力。目前成功探测火星的只有美国、前苏联、欧盟等,最近阿联酋首个火星探测已发射成功,但是真正考验要在未来7个月的漫长飞行以及明年2月份左右的入轨。以前很多次探测都失败在了入轨上。

  中国跟阿联酋探测是完全不一样的,中国完全是自主进行火星探测,阿联酋是从日本发射,他们跟美国和日本合作,所以我国有可能成为第4个进行独立火星探测的国家,这是跟我们国家改革开放以来经济和科技快速发展分不开的,综合国力有很大的提升。

  不仅有第一次的火星探测,还规划了第二次火星探测任务,难度更大,第二次探测要实现采样返回,要把火星表面的土壤带回地球。所以从这个角度上来讲,火星探测的规划和成功的实施,会体现出我们整个综合国力,这也是实现中华民族伟大复兴道路上的一个里程碑事件。

分享到:

底部关联