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六大國際軍團角逐火星,新冠肺炎疫情拖了誰的后腿?

來源:中國數字科技館

  采訪專家:

  歐陽自遠(中國科學院院士)

  龐之浩(全國空間探測技術首席科學傳播專家)

  按照此前各國對外公布的計劃,2020年7-8月人類探測火星將會迎來相隔兩年左右的窗口期,將有4個空間探測器飛向這個紅色星球。

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▲按照原計劃將有4個空間探測器飛向這個紅色星球(圖片來自NASA)

  但是,突如其來的新冠肺炎疫情不僅打亂了所有人的生活,也讓火星探測蒙上了一層陰影。

  歐洲航天局(ESA,簡稱歐空局)和俄羅斯聯邦航天局(Roscosmos)于3月12日宣布,火星探測(ExoMars)飛行任務的發射時間推遲到2022年予以實施。如果沒有新的變化,他們將在兩年后的下一個窗口期奔赴火星。

  好消息是,中國、美國、阿聯酋的原計劃繼續進行。

  因為美國嚴重的新冠肺炎疫情蔓延,很多人懷疑美國今年的火星發射任務還能不能順利進行,4月15日美國國家航空航天局(NASA)表示,2020年火星漫游者計劃的探測器“毅力”號(Perseverance),仍然會按照7月中旬發射計劃發射,并且為該機構在疫情期間最高優先任務之一。

  作為航天界的“新秀”,阿聯酋在火星探測方面也是雄心勃勃。今年早些時候,阿拉伯聯合酋長國已經完成了“希望”號無人火星探測器的建造工作,正為7月份的發射做準備。

  2019年,航天界很多人士認為2020年,火星是多個國家展開太空競逐的主戰場,這也是人類探測火星十分重要的一年。現在全球蔓延的新冠肺炎疫情,人類的火星年還會是很好的期待么?

  不僅中國以及美國、歐空局與俄羅斯等傳統航天力量都制定了雄心勃勃的火星探測計劃,甚至阿聯酋這樣的新生力量也加入進來。因此,很多火星迷們認為,2020年的火星探測將會好戲連臺。不過因為一些技術問題及新冠肺炎疫情的影響,2020年的人類火星年不會像先前預想的一樣熱鬧了。

  美國“火星2020”要實現火星樣本取回

 

  根據計劃,美國NASA在2020年的7月17日至8月5日之間將從位于佛羅里達州的卡納維拉爾角空軍基地發射火星探測器。美國“火星2020”發射任務包含一架軌道飛行器、一架無人直升機和一輛全能的火星車“毅力”號,整個項目計劃預計耗資24億美元。

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▲美國火星探測任務(圖片來自新華社)

  NASA向媒體公開展示的信息顯示,“毅力”號預計在2021年2月降落在火星的耶澤洛隕石坑內,以尋找這顆紅色星球可能曾經有生命存在的跡象,并探索火星的氣候和地質特征,收集樣本。這也將是行星探索歷史上第一架具備在降落順序期間,精確重定向降落點能力的航天器。

 

  “毅力”號是一款核動力火星車,目前該探測器的著陸系統已經過了驗證,火星車移動探測的能源供應和溫度維持已經得到保障。NASA科學任務處的副局長托馬斯·左布臣披露,在火星車探索這顆紅色星球時,火星車上攜帶的多任務放射性同位素熱電發生器不僅能夠為火星車提供能量,還能幫助它維持溫度。

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▲美國“毅力”號火星車結構圖(圖片來自NASA)

  全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩告訴記者,美國在探測火星方面已經積累了一些經驗。1975年以來,美國已成功實施7次火星表面著陸探測,不僅實現了在火星表面的安全著陸,在移動探測方面也取得了很大的進展和突破,充分驗證了他們火星探測的技術和能力。

  不過為了盡可能降低飛行成本和風險,“毅力”號的設計還是基于NASA成功的火星科學實驗室任務架構,包括“好奇”號火星車和經過驗證的著陸系統。

 

  2017年2月,美國進行該項火星探測計劃的科學們將“火星2020”任務潛在的著陸點從8個縮小到3個,這三個地方代表了可能孕育原始生命的不同環境:名為“耶澤洛隕石坑”的古老湖床、東北流沙帶(此處的溫暖水域可能與地下巖石有化學作用)以及哥倫比亞丘陵(此處可能有溫泉)。

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▲美國2020年火星探測路線圖(圖片來自NASA)

  《科學》雜志官網2017年5月中旬報道稱,前兩個地點靠近古老的火山巖石,有助于同時執行另一重要任務——收集火星樣本;而哥倫比亞丘陵曾被“勇氣”號火星車探測過。

  與“好奇”號等以往的火星探測任務不同,“毅力”號新核動力火星車將收集巖石樣品,并將樣品用密封罐儲存起來,放置于火星表面。也就是說采集的樣本2021年并不會返回地球。

  根據NASA的計劃,2026年NASA與歐空局合作執行的另一項任務將在“火星2020”的基礎上展開。他們將發射另外兩個探測器,并于2028年抵達火星,屆時這些樣本將在歐洲制造的機器人車輛的幫助下,被運送至準備返回地球的火箭上。

  這項完整的任務名為“火星樣本取回”,也是一項耗費時日的工程,預計在2031年前后才能完成。樣本返回地球上的實驗室后,研究人員就可以對其進行深入分析和研究,從而判斷火星上是否曾存在過生命,同時也能了解火星上的環境對將來的人工作業任務是否存在威脅。

  NASA公布的信息顯示,在2033年,美國將派宇航員登陸火星,如果其前期探索都進行得十分順利,美國將有可能成為人類歷史上首次將宇航員送上月球以后、再首次送上火星的國家。

  降落傘故障?新冠?ExoMars退出2020火星賽季

  龐之浩表示,在探索火星的征途上,最近一些年歐空局頗為不順,其歐洲有史以來規模最大的行星探測任務——與俄羅斯聯合開展的“火星太空生物學”(ExoMars)計劃在過去20年里屢遭重挫,不斷有新的挑戰和難題出現,一些項目的測試也是故障頻出,費用已從數億歐元增加到10億歐元以上。

 

  2016年,該計劃的關鍵設備延期交付,這迫使歐空局把發射時間從2018年推遲到2020年。

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▲ExoMars計劃帶著火星車在2022年8-10月的火星窗口期發射,2023年4-7月間抵達火星(圖片來自ESA)

  ExoMars任務最初是歐空局和NASA之間的一個合作項目。但由于NASA預算受限,美國被迫于2012年退出了合作,并不再提供“宇宙神”火箭進行發射。此后,歐空局請求俄羅斯提供運載火箭,但俄羅斯卻提出希望完全參與實施該項目。于是,歐空局最終和俄羅斯走到了一起。

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▲ExoMars任務和我國的火星任務相似,都包含了軌道器、著陸器和火星車三個組分(圖片來自ESA)

  西班牙世界報網站2019年12月29日發表西班牙國家天文臺臺長拉斐爾·巴奇列爾的文章披露,歐空局與俄羅斯國家航天公司將聯手發射火星漫游車“羅薩琳德·富蘭克林”,該漫游車由英國制造,以DNA研究先驅羅薩琳德·富蘭克林的名字命名,它將搭乘俄羅斯火箭從哈薩克斯坦拜科努爾發射升空,通過俄制登陸平臺登陸,并在火星表面進行為期至少7個月的探索,它將利用一個能夠鉆到地表以下2米深處的鉆頭提取未受強烈輻射的物質,科學家們認為這種物質中或許含有火星上曾有生命的證據,對采集的土樣進行分析,就可以尋找可證明生命存在的生物分子或生物標記物。

 

  “火星太空生物學”計劃共分為兩個階段。2016年,攜帶2臺俄制儀器的“痕量氣體軌道探測器”在第一階段框架下發射,并成功進入環火星大約400千米的工作軌道。“痕量氣體軌道探測器”搭載的科學儀器主要對火星大氣中的多種氣體進行探測,如甲烷、水蒸氣、二氧化氮和乙炔等,進而確定這些氣體的分布區域及其來源,尋找存在或曾經存在生命的跡象。這些區域,也將是未來火星計劃的最佳著陸點之一。其第一階段框架內發射的斯基亞帕雷利登陸器則在登陸時墜毀。定于2020年啟動的第二階段為主要階段。

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▲ExoMars計劃的兩套降落傘示意圖(圖片來自ESA)

  糟糕的是,該計劃2019年在測試時又發現降落傘系統存在一些嚴重的問題,雖然工程師們多次進行調整,但降落傘始終達不到預期效果,探測器在降落的過程中會導致降落傘損壞。于是歐空局向NASA的航空航天工程師緊急求助,請他們幫忙挽救遭受重創的任務。

  盡管現在“火星太空生物學”計劃項目組已經解決了一些令人頭痛的技術難題,為了穩妥,他們又將發射計劃繼續推后到2022年。

  據《自然》報道,本次延遲發射的原因依舊包括一系列技術問題:如攜帶探測器的航天器軟件仍待調試、探測器主降落傘測試還未完成、太陽能電池板無法固定等。

  新冠病毒在全球的暴發也是一個重要干擾因素,尤其是歐洲的疫情態勢讓俄羅斯的專家難以前往合作方所在地,原定工作進度受到了很大的影響。

  如果堅持在今年的疫情背景下發射,“火星太空生物學”計劃就需要犧牲一些必要的測試,歐空局不想冒險。

  “我們不能走捷徑,做出這一決定非常艱難,但我們相信這是正確的做法。”歐空局局長讓·沃納表示。

  火星將是誰的幸運星球?

  “有很多科學家十分擔心人類未來的命運,因為我們的地球受到太多的自然威脅,再加上人類自身的一些行為,未來很可能把地球破壞得不能夠宜居了。所以我們一定要在太陽系里面找一個對象,探討能否把它變成第二個地球,讓人類能夠大量遷居到上面去。目前看,唯一可能的一個天體就是火星。”中國科學院院士歐陽自遠表示。

 

  “到現在為止還沒有找到任何(火星)生命存在的證據。如今國際上開會,大家對火星最大的理想是改造火星。”歐陽自遠認為,通過人類的智慧和努力,火星完全能被改造成生機盎然的“小地球”,成為人類的“第二家園”。人類需要好好保留自身和地球上的其他物種。

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▲藝術家筆下的人類“第二家園”——火星(圖片來自NASA)

  近些年來火星探測活動升溫,與火星可能存在生命跡象具有很大的關系。已有探測結果表明,火星大氣含有微量的甲烷,且不同地區和不同時間的甲烷含量不同。由于甲烷在地質歷史中難以長期存在,所以探測到甲烷預示著火星可能至今仍在產生甲烷,一些科學家認為這是生物體存在的證據。

  不過,盡管生物消化過程中會產生甲烷,但其他的物理化學過程也會釋放甲烷氣體,比如鐵的氧化。因此,地球上的人類至今仍不清楚火星大氣中的甲烷究竟是來自與生命有關的生物過程,還是與生命無關的無機化學反應。要搞清楚,通過登陸火星實施探測是最好的方式。因此,火星成為有志于太空探索的國家重要探索目標。

  截至北京時間4月24日9時,美國新冠肺炎累計確診病例超過87萬例,累計死亡49729人,并且疫情還在擴散和蔓延之中。

 

  也正是這樣的原因,很多人對美國還能不能順利實施2020年的火星探測計劃表示懷疑。NASA局長吉姆·布里登斯汀在日前的采訪中再次重申了2020年火星計劃的重要性,該計劃是NASA目前最重要的兩個項目之一(另外一個為商用載人飛船項目),如果錯過了2020年火星探測器的發射窗口期,那么兩年內花費的5億多美元將白白浪費。

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▲新冠肺炎疫情并未拖住美國火星探測的步伐。圖為NASA內的火星著陸倒計時牌(圖片來自NASA)

  除了美國、俄羅斯、歐空局和中國,印度、日本等國家和組織在火星探測方面也多有動作,其中印度已于2013年11月5日發射了亞洲首顆火星探測器。不過,目前還沒有看到印度近期再次探測火星的計劃。日本目前正在為探測火衛一、火衛二做準備,發射時間預計是在2024年。

  2020年,除了中國和美國將予以發射的這兩項火星探測任務外,火星探測新秀阿聯酋也計劃在7月發射“希望”號無人火星探測器,目前他們的工作還沒有受到新冠肺炎疫情太大的干擾。“希望”號由阿聯酋工程師在美國專家的幫助下建造,將從日本種子島航天中心發射升空,2021年3月抵達火星軌道,其將拍攝這顆紅色星球的圖像和光譜,為火星氣候和季節周期研究提供資料。

  火星探測從來就不是一件容易的事情,截至目前人類探測火星已有45次,但成功的只有18次,成功率只有40%。2020年火星會成為誰的幸運星球呢?現在還是一個未知數。

  TIPS:未來火星探測的六大角逐軍團

  軍團之一:歐空局

  2003年,歐洲航天局(ESA,簡稱歐空局)提出了“曙光計劃”,確立了歐洲未來30年太陽系探測的發展戰略和路線圖,提出以機器人和載人登陸火星為主,探尋太陽系中地外生命存在跡象,揭示太陽系起源。經過細化論證,2005年ESA正式發布了《宇宙憧憬2005—2025》,描述了未來20年空間科學的發展藍圖,指出火星探測是ESA未來10—20年將要開展的重要空間科學探測活動。2015年,ESA公布最新的《空間探索戰略》,火星仍是其重點探索目標。

  軍團之二:美國

  2004年,美國提出了“新太空計劃”,并著手制造新一代宇宙飛船,主目標是在2030年前后把人類送上火星。2011年,NASA再次制訂了詳細的《2013—2022行星科學十年規劃與展望》,囊括了美國未來十年行星探測的科學目標、發展規劃及科學探測任務,把火星探測規劃為重中之重,并明確了在21世紀30年代實現載人登陸火星的發展目標。在此基礎上,2015年,美國NASA就火星探測發展政策和戰略規劃公布了《NASA的火星之旅——開拓太空探索下一步》,充分展示了美國加快火星探測步伐的決心。

  軍團之三:俄羅斯

  盡管蘇聯及主要繼承蘇聯太空探索遺產的俄羅斯在火星探測上一直不順利,飽嘗了一次又一次失敗的痛苦,但俄羅斯依舊沒有放棄火星探測的雄心。2012年3月,俄羅斯聯邦航天局制訂并公布了《2030年前及未來俄羅斯航天活動發展戰略》草案,其中涉及建立火星試驗站等一系列目標。2012年4月,其又制訂了《2012—2025太陽系探測總體規劃》。這兩份規劃都把火星列為首要探測目標。在以對火星土壤進行檢測、采樣返回的“大衛一-土壤號”任務失敗后,2014年,俄羅斯重新提出將火星土壤采樣返回的Expedition M任務,更改為“火衛一表面探測和土壤采樣返回”任務,并納入2015年財政預算,共計約51億盧布。Expedition M探測器計劃于2024年使用安加拉5型(Angara 5)火箭發射。該任務將為2030年的火星采樣返回作準備。

  軍團之四:中國

  2030年前,中國火星探測的主要任務是環繞遙感探測、軟著陸巡視探測和采樣返回,實現對火星從全球普查到局部詳查再到樣品實驗室分析的科學遞進。其中環繞遙感探測的科學目標著眼于對火星的全球性探測,致力于建立火星的總體、全局的科學概念;軟著陸巡視探測科學目標著眼于對火星局部地區的重點探測,主要開展火星科學試驗;采樣返回的科學目標著眼于著陸點的現場調查與分析、火星樣品的分析研究,主要開展比較行星學研究。

  中國火星探測起步較晚,但隨著探月工程取得重要進展,我國已具備開展火星探測的能力。適時開展火星探測,可以在空間科學、空間技術和空間應用領域加速實現從跟蹤研究向自主創新轉變,實現從航天大國向航天強國邁進。

  軍團之五:日本

  日本的火星探測實力也不容忽視。2005年,日本制訂了跨越20年的航天發展路線圖,即《日本宇宙航空研究開發機構長期發展規劃——JAXA2025》,提出了未來20年空間活動的發展目標、發展方向、發展規劃與設想。該規劃指出,下一代太陽系探索的重點是實現探測器飛往火星,重點探測火星氣候。總體思路是首先建立月球基地,以月球作為中轉站奔赴火星。

  1998年7月3日,日本首個火星探測器“希望”號發射升空,使得日本成為世界上第三個發射火星探測器的國家。但是“希望”號在太空中艱難飛行了5年之后,于2003年12月9日宣布失敗。

  不過日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)不久前表示,其“火星衛星探索”(MMX)任務已獲得批準,正式進入開發階段,其目標是在2024年朝火星衛星派遣軌道飛行器、著陸器,或許還有一輛漫游車,采集的沙子、巖石等樣本預計將于2029年送回地球。

  軍團之六:印度

  在天空探索領域,盡管印度是個后來者,但是近些年其步伐明顯加快。2007年,印度空間研究組織(ISRO)正式對外發布探測火星計劃。2012年8月計劃啟動,2013年11月15日其“曼加里安”號火星探測器發射升空,2014年9月成功進入火星軌道,在500—80000千米橢圓軌道上開展科學探測任務。印度也得以成為亞洲首個成功進行火星探測的國家。

 

  “曼加里安”號的成功,大大激發了印度對火星探測的雄心,目前ISRO已啟動了后續火星探測任務的論證工作。盡管不久以前其月球探測失敗遇到很大的挫折,但在未來它也將是火星探測中一支重要的力量。(撰文/記者 李鵬 圖文編輯 陳永杰)

本文來自:中國數字科技館
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