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天問(wèn)一號(hào)登陸火星，居然有些地方超越了美國(guó)

汽車(chē)公社 2021-05-17 19:36

北京時(shí)間2021年5月15日早晨，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)296天的漫長(zhǎng)星際旅行，天問(wèn)一號(hào)向火星表面投下了其著陸器部分。7點(diǎn)18分，攜帶著“祝融”火星車(chē)的著陸器器，成功降落在了火星北半球的烏托邦平原之上。

此時(shí)此刻，中國(guó)成為了繼美國(guó)之后，第二個(gè)采用著陸器成功登陸火星，并將巡視器送上火星表面的國(guó)家。

為什么要選火星？

作為太陽(yáng)系內(nèi)軌道順位第四的行星，火星被歸類為“類地行星”范疇。

“類地”即類似于地球之意。類地行星表面以硅酸鹽化合物為主要成分，通常會(huì)有一個(gè)以固態(tài)物質(zhì)為主的表面，而在類地行星內(nèi)部，通常會(huì)有一個(gè)主要成分為鐵的金屬核心。

太陽(yáng)系四大類地行星，左起分別為：水星、金星、地球、火星

在太陽(yáng)系中，地球有金星與火星兩個(gè)同屬類地行星的近鄰，這兩顆行星又分別有著“地球?qū)\生子”和“小地球”的雅號(hào)。自科學(xué)啟蒙時(shí)代，人類將視線轉(zhuǎn)向星辰以后，這兩顆距離地球最近的行星，一直被視為我們沖出搖籃邁入星空探索新家園時(shí)，兩個(gè)最具可能性的選擇。

前蘇聯(lián)金星13號(hào)探測(cè)器拍攝的金星地表。這枚探測(cè)器為了能在險(xiǎn)惡環(huán)境內(nèi)工作，使用了大量昂貴材料?？杉幢闳绱?，在金星表面那宛如地獄的環(huán)境中，運(yùn)行不足半小時(shí)，便出現(xiàn)了故障，并于2個(gè)小時(shí)后完全失聯(lián)

“地球?qū)\生子”金星，無(wú)論直徑、質(zhì)量，以及表面濃密的大氣層，都高度近似地球。然而它卻是不折不扣的“邪惡雙胞胎”。金星大氣層中的二氧化碳濃度高達(dá)96.5%，存在極其嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，表面溫度最高可達(dá)467℃，甚至超過(guò)了鉛（327°C）、錫（232°C）、鋅（420°C）等金屬的熔點(diǎn)。當(dāng)前乃至中遠(yuǎn)期可以預(yù)見(jiàn)到的技術(shù)，都不足以支持人類登陸金星展開(kāi)探索甚至殖民活動(dòng)。

相較之下，火星就溫和了許多。

其直徑約為地球的一半，自轉(zhuǎn)軸傾角、自轉(zhuǎn)周期則與地球相近?；鹦堑拇髿獾闹饕煞蛛m然也是二氧化碳，但卻非常的稀薄，密度僅為地球大氣的1%，所以并沒(méi)有類似于金星表面那種恐怖的高溫。其表面平均溫度為-63℃，雖然嚴(yán)寒，但卻算不上極端。

整個(gè)太陽(yáng)系最大的火山，同時(shí)也是最高的一座山——海拔達(dá)到26公里的奧林匹斯火山。與它相比，地球上的一切山峰都是“侏儒”

火星不但有著太陽(yáng)系內(nèi)最高也是最雄偉的火山奧林匹斯山，同時(shí)還有這迄今在太陽(yáng)系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最壯觀的峽谷水手谷。在其兩極，也存在著會(huì)隨季節(jié)消長(zhǎng)，類似地球兩極冰蓋一樣的“極冠”構(gòu)造。根據(jù)環(huán)繞火星的探測(cè)器分析，主要成分是干冰和水冰。2015年，NASA甚至宣布在火星表面發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水的存在。

紅框部分便是水手谷，得名自美國(guó)的水手9號(hào)火星探測(cè)器，是火星乃至太陽(yáng)系內(nèi)最大的峽谷。根據(jù)后來(lái)多個(gè)探測(cè)器的測(cè)量，水手谷前后延展了超過(guò)4500公里，最寬處有600公里，最深則達(dá)到了8公里。與其相比，地球上最壯觀的雅魯藏布大峽谷，仿佛一條微不足道的小裂痕。圖片頂部的白色冠狀部分，就是火星著名的“極冠”，推測(cè)主要成分為干冰和水冰。這種“極冠”在火星的南極部分同樣存在

種種跡象表明，如果人類想要沖出地球殖民外星，火星是迄今為止唯一可行的目的地。

天問(wèn)一號(hào)任務(wù)

實(shí)際上，天問(wèn)一號(hào)并不是中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器。2011年11月9日，其前輩“螢火1號(hào)”探測(cè)器，因俄羅斯“天頂”號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射失敗，墜毀在太平洋上。

俄羅斯的福布斯-土壤火星探測(cè)器與“螢火1號(hào)”組合體。圖片正中框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的部分，便是我們的“螢火1號(hào)”

2016年1月，我國(guó)啟動(dòng)自主火星探測(cè)項(xiàng)目，要求通過(guò)一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視。天問(wèn)一號(hào)就是基于該項(xiàng)目而研制的。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，天問(wèn)一號(hào)其實(shí)是一個(gè)火星探測(cè)器組合體，由一部軌道飛行器、一個(gè)著陸器，以及搭載在著陸器上的火星車(chē)構(gòu)成。其中執(zhí)行巡視任務(wù)的火星車(chē)，被單獨(dú)命名為“祝融”。由于構(gòu)造復(fù)雜，并搭載有獨(dú)立的降落器與火星車(chē)，天問(wèn)一號(hào)全系統(tǒng)的總質(zhì)量超過(guò)了5噸，成為了迄今為止中國(guó)研制并發(fā)射的最大型深空探測(cè)器。

天問(wèn)一號(hào)軌道器部分，攜帶設(shè)備包括：中、高分辨率相機(jī)，火星磁強(qiáng)計(jì)，礦物光譜分析儀等。

不但要對(duì)火星表面進(jìn)行系統(tǒng)性拍攝成像，繪制出屬于我國(guó)的完整火星表面圖，同時(shí)還要求對(duì)火星表面地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造展開(kāi)研究，探測(cè)火星空間磁場(chǎng)環(huán)境，分析火星礦物組成與分布，研究火星整體化學(xué)成分與化學(xué)演化歷史，分析火星資源與資源帶分布區(qū)等等。

圖片來(lái)源見(jiàn)右下角水印

巡視器“祝融”重約240公斤，安裝有多種探測(cè)設(shè)備。其技術(shù)傳承自此前成功巡視月球表面的“玉兔”系列月球車(chē)，但較之“玉兔”系列重了一倍。

天問(wèn)一號(hào)作為一個(gè)整體，正如其立項(xiàng)時(shí)描述的那樣，探測(cè)任務(wù)包括環(huán)繞、著陸和巡視。換而言之，環(huán)繞探測(cè)是它的第一階段工作。

天問(wèn)號(hào)自2020年7月23日發(fā)射，至2021年2月抵達(dá)火星前的地火轉(zhuǎn)移軌道

2021年2月10日，天問(wèn)一號(hào)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)火星軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)啟動(dòng)，將軌道由環(huán)繞火星赤道運(yùn)行，變軌至垂直于赤道的火星太陽(yáng)同步軌道。同時(shí)，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的精確控制，探測(cè)器也將近火點(diǎn)位置，調(diào)整到了預(yù)定著陸的烏托邦平原所在的火星北半球低緯度地區(qū)。

2月24日，天問(wèn)一號(hào)進(jìn)一步“圓化”軌道，更加貼近火星表面，進(jìn)入“停泊軌道”飛行，并在這條軌道上穩(wěn)定運(yùn)行了兩個(gè)半月。期間，使用搭載的各種照相設(shè)備，對(duì)火星表面進(jìn)行了全幅拍攝，同步也對(duì)預(yù)定著陸區(qū)，進(jìn)行了異常詳細(xì)的勘察。

自2月末到5月初，天問(wèn)一號(hào)“繞”的任務(wù)基本宣告完成，中國(guó)航天局拿到了較高分辨率下整個(gè)火星表面的照片，初步完成了從軌道上對(duì)火星表面的礦物分布帶分析。此外，經(jīng)過(guò)為期兩個(gè)半月的調(diào)試，探測(cè)器上搭載的各種設(shè)備，也進(jìn)入了最佳工作狀態(tài)。釋放著陸器降落火星表面的時(shí)機(jī)，宣告成熟。

為什么選擇降落烏托邦平原？

烏托邦平原是火星上最大的一塊相對(duì)平坦地區(qū)。

由美國(guó)的海盜2號(hào)探測(cè)器拍攝的烏托邦平原景象

冷戰(zhàn)期間，美蘇展開(kāi)激烈的太空競(jìng)賽，競(jìng)相發(fā)射探測(cè)器巡視火星。隨著對(duì)這顆紅色行星認(rèn)識(shí)的加深，許多火星地標(biāo)逐漸被公眾所熟知。其中就包括奧林匹斯火山、水手谷、烏托邦平原等。

在著名科幻系列作品《Stat trek》中，火星上的烏托邦平原是星際聯(lián)邦的主要造船基地。聯(lián)邦在烏托邦平原表面以及其上方的同步軌道上，設(shè)有多個(gè)造船廠。該系列作品中著名的“進(jìn)取D”號(hào)、“勇抗”號(hào)以及“航海家”號(hào)星艦，均被設(shè)定為在此下水。

紅框位置為本次“麒麟”降落的大致區(qū)域

當(dāng)然，天問(wèn)一號(hào)會(huì)選擇烏托邦平原釋放著陸器，和《Stat trek》并沒(méi)有關(guān)系。之所以選擇那里，一來(lái)是因?yàn)榈貏?shì)平坦有利于安全著陸；二來(lái)是因?yàn)闉跬邪钇皆洗_實(shí)有值得一看的內(nèi)容。

現(xiàn)在的研究認(rèn)為，火星于十?dāng)?shù)億年以前，曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)“濕潤(rùn)時(shí)期”。地勢(shì)平坦且低洼的烏托邦平原，自然成為了火星上最有可能流淌著大量液態(tài)水的區(qū)域，是火星探測(cè)理所當(dāng)然的熱點(diǎn)區(qū)域。

火星很可能存在過(guò)一個(gè)水分充沛有著藍(lán)天和白云的“濕潤(rùn)時(shí)期”。直到今天，火星上很可能仍存留著大量的水

另外，在烏托邦平原上降落，已經(jīng)被證明是可行的。因?yàn)樵缭?976年9月3日，美國(guó)發(fā)射的海盜2號(hào)探測(cè)器著陸器部分，正是降落在該區(qū)域的中心地帶。

天問(wèn)一號(hào)去火星，主要研究些什么？

天問(wèn)一號(hào)攜帶的中、高分辨率相機(jī)，其用途毋庸諱言，就是去拍攝整個(gè)火星表面高分辨率照片，繪制完整的火星表面圖的。至于礦物光譜分析儀，相信也不用詳細(xì)解釋。但是有很多朋友，可能對(duì)于上面提到的這個(gè)“火星磁強(qiáng)計(jì)”會(huì)產(chǎn)生困惑——這個(gè)設(shè)備到底是用來(lái)干嘛的？

磁強(qiáng)計(jì)是設(shè)計(jì)用來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的儀器。安裝在天問(wèn)一號(hào)上的火星磁強(qiáng)計(jì)，其主要任務(wù)包括：全面測(cè)量火星空間邊界層，探測(cè)火星南部局地巖層的剩磁及火星感應(yīng)磁層，研究近火空間處的行星際等離子體和行星際磁場(chǎng)，同時(shí)還會(huì)結(jié)合其他載荷儀器對(duì)火星大氣中的粒子逃逸等問(wèn)題開(kāi)展研究等。

所謂太陽(yáng)風(fēng)，是恒星在聚變反應(yīng)時(shí)噴出的高能帶電粒子流，能夠直接吹散行星表面的大氣層。而具備液態(tài)金屬內(nèi)核的行星，在自旋時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的地磁場(chǎng)，可以屏蔽絕大部分太陽(yáng)風(fēng)，保護(hù)大氣層的穩(wěn)定

由于火星沒(méi)有類似于地球那樣的金屬液態(tài)地核，其核心在十?dāng)?shù)億年前已經(jīng)逐漸冷卻，所以火星的地磁強(qiáng)度遠(yuǎn)不及地球，無(wú)法有效屏蔽長(zhǎng)驅(qū)直入的太陽(yáng)風(fēng)侵襲。

其后果就是，火星曾經(jīng)有過(guò)不輸于地球和金星的濃密大氣層，但在十?dāng)?shù)億年太陽(yáng)風(fēng)持續(xù)不斷的侵襲之下，如今這個(gè)大氣層已經(jīng)變得極其稀薄。所以，詳細(xì)研究火星的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，將有助于我們了解火星環(huán)境演變至今的整個(gè)過(guò)程。

至于“祝融”，其作為一臺(tái)巡視器，主要的任務(wù)正如字面上的意思——去看一看，“巡視”一番。

去年，當(dāng)官方公布“祝融”巡視器細(xì)節(jié)時(shí)，許多網(wǎng)友因?yàn)槠錄](méi)有安裝機(jī)械臂而感到沮喪。因?yàn)闄C(jī)械臂是進(jìn)行表面采樣，并進(jìn)行成分分析所必備的。然而，為此感到沮喪，實(shí)在大可不必，因?yàn)椤白Ｈ凇辈恍枰M(jìn)行采樣就能夠完成成分分析工作，因?yàn)樗恍枰翱纯础本湍芏?/p>

做到看一眼就懂的關(guān)鍵，是“祝融”搭載的微成像相機(jī)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀。

微成像相機(jī)用來(lái)觀察火星表面沙石的微小細(xì)節(jié)，精度可達(dá)微米級(jí)。而激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀，是一種主動(dòng)探測(cè)裝置——通過(guò)射出激光束燒灼周?chē)哪嗤梁蛶r石使之形成等離子體，然后啟動(dòng)短波紅外光譜顯微成像儀分析器來(lái)分析其所含成分。其效率遠(yuǎn)超機(jī)械臂采樣分析方式。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀工作狀態(tài)效果圖

而微成像相機(jī)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀的組合，結(jié)合“天問(wèn)一號(hào)”軌道器搭載的礦物光譜分析儀，可以從宏觀和細(xì)節(jié)兩個(gè)角度，對(duì)火星的成分以及礦物分布，進(jìn)行系統(tǒng)性的考察。

截至“祝融”降落火星表面，迄今為止世界各國(guó)總計(jì)進(jìn)行過(guò)47次火星探測(cè)任務(wù)。其中美國(guó)21次、蘇聯(lián)/俄羅斯19次、歐洲2次、日本1次、印度1次、阿聯(lián)酋1次、中國(guó)2次。

火星探測(cè)絕非易事，在所有47次任務(wù)中，有20次完全失敗、7次僅部分成功，完全成功的僅20次，成功率不足43%。

其中，蘇聯(lián)/俄羅斯的火星任務(wù)幾乎如同“中邪”一樣，至今未能實(shí)現(xiàn)哪怕一次完全成功。而美國(guó)，也是在付出多次失敗后，才于1975年8月20日，由海盜1號(hào)（Viking-1）探測(cè)器率先實(shí)現(xiàn)了在火星上著陸的目標(biāo)。至于首次將遙控巡視車(chē)送上火星，則要等到1996年12月4日的火星探路者任務(wù)（Mars Pathfinder）。

迄今為止美國(guó)送上火星的三種巡視器。從小至大分別為火星探路者號(hào)攜帶的Sojourner火星車(chē)、勇氣/機(jī)遇號(hào)、毅力號(hào)?！白Ｈ凇贝笾屡c勇氣/機(jī)遇號(hào)相當(dāng)

所以就此一點(diǎn)而言，中國(guó)首次獨(dú)立展開(kāi)火星探測(cè)任務(wù)，即實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞和成功著陸火星的目標(biāo)，堪稱是一項(xiàng)了不起的成就。

“天問(wèn)”這個(gè)名字，取自屈原的長(zhǎng)詩(shī)《天問(wèn)》。該詩(shī)從天地離分、陰陽(yáng)變化、日月星辰等自然現(xiàn)象，一直問(wèn)到神話傳說(shuō)乃至圣賢兇頑和治亂興衰等歷史規(guī)律，象征著我們自古以來(lái)，世世代代追求真理的探索精神。

而天問(wèn)一號(hào)所執(zhí)行的，就是這樣一個(gè)探求地外星球真相的偉大任務(wù)。但這個(gè)任務(wù)并不以一號(hào)探測(cè)器的使命為終。因?yàn)榛鹕瘛白Ｈ凇彼淼?，只是這個(gè)系列探索任務(wù)的火星部分。

所謂“星辰大?！?，在今日的中國(guó)并非一句空泛的口號(hào)。自我國(guó)啟動(dòng)載人航天工程以來(lái)，中國(guó)人正在一步一個(gè)腳印，向著地球以外的星空邁出自己的腳步。在這個(gè)載人航天工程“三步走”規(guī)劃逐漸邁向尾聲的今天，確定我們下一步的探索方向，也正逐漸被提上議事日程。