细数那些年造访火星的人类使者

地球(左)与火星(右)的大小对比图。版权/NASA

近日,阿联酋发射了自己的首颗火星探测器“希望”号,揭开了新世纪火星探测大幕。火星是太阳系中与地球最相似且距离第二近的行星,因此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航天史。

三个发展阶段

人类的火星探测起步于20世纪60年代,到今年6月底,全球共实施了44次探火活动,美国21次,苏俄19次,日本1次,欧洲2次,印度1次。完全成功或部分成功23次,成功率约53%。完全成功的19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,成功登陆火星的探测器有8个:

“海盗”1号、2号,“火星探路者”,“机遇”号、“勇气”号、“凤凰”号、“好奇”号、“洞察”号

目前正在工作的轨道器有6个: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”

正在工作的着陆巡视器有2个:“好奇”号和“洞察”号

美国海盗-2在火星着陆示意图。版权/NASA

总的来讲,全球火星探测经历了以下三个发展阶段。

1960—1975年为第一阶段,这是探火的第一次热潮,共进行了23次发射。

1976—1990年为第二阶段,火星探测进入了低潮期,只有苏联进行了2次火星探测器的发射,但是都失败了。

20世纪90年代至今为第三阶段,探火的第二次热潮,共进行了19次发射。探火的主要是为了科学和工程目的,尤其是美国实施了庞大的“火星生命计划”,发射了不少新型火星探测器,成就斐然。欧洲空间局、印度也成功探测了火星,打破了美苏在火星探测领域的垄断。

测试“洞察”号火星着陆器。版权/NASA

早期美苏竞争

1960—1975年,苏美在火星探测领域开展了激烈的竞赛,结果美国技高一筹,探火的成功率明显高于苏联。

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在着陆过程中对火星大气进行了观测,发回了火星大气参数。

1976—1990年,全球火星探测进入低潮期,只是在1988年,苏联发射了火卫-1、2探测器,但仍没有逃脱失败的命运,未能传回科学数据。

苏联火星-3着陆器于1971年在火星表面着陆,但仅工作20s后就由于未知原因与地球失去联系。版权/wikipedia

与之相比,同一时期的美国火星探测活动要好许多。美国向火星发射了数个“水手”系列探测器,其中4个成功,尤其是水手-4从离火星约1万千米的地方掠过,回传了第一张火星表面的照片,这也是第一张从除了地球以外另外一个行星上拍的照片,它共传回了21张火星近距离的照片,探测到火星的大气密度不足地球的1%;水手-9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、2在火星着陆探测选定了地点。

1975年,美国先后发射了海盗-1、2探测器,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。轨道舱对火星空间环境、火星地表以及火卫1、火卫2进行了观测;着陆舱分析了火星土壤,测量了风速、气压和温度,并确定了火星的大气成分。“海盗”在火星软着陆为后来的火星着陆探测奠定了基础。

水手-4号拍摄的第一幅火星数字图像(手工上色)版权/NASA

美国水手-4火星探测器 版权/NASA

目前美国领先

1990年后,全球火星探测活动转暖,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年技术改进后,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。

美国“火星全球勘探者”在轨工作示意图。版权/NASA

“火星全球勘测者”比“海盗”轨道舱成像系统的分辨率有了很大提高,使科学家们对火星表面的演化史有了更深入的认识。

“火星探路者”由1个着陆器和1辆火星车组成,采用新颖的气囊着陆方式,创造了几项第一:第一个直接在行星上硬着陆的探测器和第一个在时速1600千米这一超音速飞行情况下使用降落伞着陆的探测器;第一个使用所携带的六轮遥控火星车在火星上行驶,实现了对火星较大范围的移动考察。

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”又双双遭受了失败。

但美国没有气馁,在总结了经验教训后,美国于2001年成功地发射了“火星奥德赛”探测器,首次发现火星地表下面存在水冰,这预示着火星上存在生命的可能性。这个探测器目前仍在工作。

此后发射的美国火星探测器也都获得成功。

犹如地质学家的“勇气”号火星车准备探测一块石头(示意图)。版权/NASA

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”不仅大大超期服役,而且相当于一个地质学家站在火星上获取了重要成果,使科学家更好的了解了火星,并再次证实火星上有水。

2005年入轨的美国“火星勘察轨道器”是当今世界最先进、最大的火星轨道器。它的分辨率是以往其它系统的6倍,运行在200千米高时分辨率可达到0.3米,轨道高度为400千米时分辨率为0.6米。高分辨率观测对研究分层物质、冲击沟、河道等很有利,并用于确定着陆区和取样区。“火星勘察轨道器”除用于从低轨道观察火星,拍摄了大量高清晰度火星图片外,还为火星着陆器选址和中继数据。

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,对了解火星气候的历史是非常重要的。其探测任务持续了约3个月,它通过伸展机械手在火星挖掘土壤,了解了当地环境是否适合生物生存。

2011年发射的美国“火星科学实验室”携带了第三代火星车“好奇”号。其长度是第二代火星车的2倍,质量是第二代火星车的4倍,所带科学仪器质量是第二代火星车的15倍。它在火星探测器中首次使用了核电源技术,这样可避免太阳电池阵可能会被火星尘土覆盖而影响发电效率,大大提高火星车的行程、使用寿命和在火星表面的工作时间。

2013年,美国“火星大气与挥发物演变”入轨。它是世界首个研究火星上层大气的探测器,旨在调查火星上层大气,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”,探测火星内部地震活动的规模、频率和地理分布以及陨石撞击火星表面的频率,确定火星内部的热状态、火星地幔的成分和结构、火星地壳的厚度和结构以及火星地核的尺寸、成分和物理状态。

2016年1月19日,“好奇”号在纳米布沙丘拍摄了这张自拍照,拍摄之后还用轮子转动磨开沙层,采集了沙子样本以供实验室分析研究。版权/NASA

其他后起之秀

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,打破了美苏在火星探测领域的垄断。

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。

2003年,欧洲第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。它由轨道器和着陆器组成,其中轨道器进入火星轨道,获得超出预想的数据,包括用雷达探测火星的水资源存量,目前仍在超期服役。它还用于为火星着陆器提供信息中继服务。但其着陆器,英国的猎兔犬-2在着陆火星过程中与地球失去联系。“火星快车”轨道器目前仍超期服役。

欧洲第一个火星探测器“火星快车”在轨飞行示意图。版权/NASA

2016年,以欧洲为主,欧洲航天局与俄罗斯合作研制的“火星生物学-2016”探测器入轨。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,主要用于探测火星大气中的微量气体;但“夏帕雷利”着陆器在进行火星表面着陆试验时没有成功。

欧洲“火星生物学-2016”探测器正在释放“夏帕雷利”着陆器示意图。版权/ESA

1996年,俄罗斯发射火星-96探测器时因火箭故障而“箭毁器亡”。2011年,俄罗斯又发射了“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。

印度一直想在亚洲航天领域争个第一。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1个成功探测火星的国家。

印度“曼加里安”进入火星轨道示意图。版权/wikipedia

来源:中国国家天文

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