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天问探火,开启深空梦

日期:2020-07-29 【 来源 : 万博体育网址周刊 】 阅读数:0
阅读提示:中国的火星探测是一个开放性的科学探索平台,此次火星探测任务既是中国航天工作者自力更生自主创新的结果,也是国际航天合作的成果。在中国将来的航天事业中,这样的合作也将持续下去。
作者|王 煜


  “日月安属?列星安陈?”对于两千多年前诗人发出的“天问”,中国人终于开始自主探求答案。首次自主探测火星的旅程只是一个开始,它代表的不仅是中国人更是全人类对宇宙奥秘的追寻。“问天之行”“探‘火’之旅”,一定会有更多激动人心的发现。


跨越式前进,领航人类探“火”



  2020年7月23日中午,“天问一号”火星探测器搭乘长征五号遥四运载火箭顺利升空,奔向火星。计划“绕、落、巡”一次完成,是中国此次火星探测备受瞩目的亮点,这是人类历史上的创举。

  “航天中的深空探测一般有五种方式:飞掠、环绕、着陆、巡视、取样返回。因为要环绕肯定要达成飞掠这一步,所以实际上这次‘天问一号’是要一次完成四种对火星的探测方式。”资深航天专家、上海航天技术研究院研究员陶建中在接受《万博体育网址周刊》记者采访时表示。

  如果计算一下发射时地球与火星的距离和“天问一号”的速度,人们会发现所需时间并不用7个月那么长。然而火星并不是一个静止的目标,它自身在围绕太阳公转;同时,火星探测器选择的也不是距离最短的路径,而是最节省燃料的路径。“太空中的飞行是轨道飞行,速度决定了轨道。”陶建中说,“天问一号”在进入“地-火转移轨道”后实际上成为一颗环绕太阳的飞行器,它的轨道将在7个月后与火星的公转轨道重合。

  这个时候最关键的就是“刹车”的时机,因为“天问一号”要让自己被火星的引力捕获,成为它的一颗人造卫星。“刹车”如果晚了,进入不了火星的引力范围,探测器就会与火星“失之交臂”;相反,如果“刹车”早了,受到的火星引力太大,探测器有可能撞向火星,任务也会失败。这一步骤对精准度的要求,被形容为“从巴黎把一颗高尔夫球打入东京的球洞”。

  这步精准完成后,更难的是在火星的着陆。自人类1960年发射第一个火星探测器开始,共有17次计划在火星着陆的任务,目前只有8次成功,都是美国完成的。如此高的失败概率让这颗红色星球有“探测器坟场”之称。

  任务难度大,很重要的原因在于火星距离地球遥远。此次“天问一号”距离地球最远时,单向通信延时达到22分钟。同时,漫长的传输过程中,信号的衰减也很大。

  此外,当探测器、太阳和地球位置处于同一直线时,太阳辐射会干扰地火之间的信号传输,导致通信中断,这就是“日凌”现象。在这次火星探测任务中,最长“日凌”达到30天。火星表面上有强力的风暴,有的风暴时速达到每秒180米,持续时长达几个月。

  这些条件意味着探测器在很多情况下只能自主决定如何行动,而不能靠地球上的人工遥控。从环绕火星的轨道降落到火星表面尤其如此,整个过程只有短短的7分钟。

  “‘天问一号’安装的变推力反推发动机,使它可以在距离火星表面100米的高度悬停并寻找、移动到合适着陆地点,掌握该技术的目前只有中美两国。”陶建中说。

  其他国家的火星探测一般都是先环绕再做着陆巡视,而中国的首次火星探测就有把握一次完成这三项任务,这表明我国在这个领域虽然起步晚,但已经后来居上,达到世界先进水平。“天问一号”能有如此耀眼的表现,很大程度上归功于之前“嫦娥”探月工程的技术积累。2019年1月,中国的“嫦娥四号”探测器实现了人类历史上第一次在月球背面软着陆和巡视勘察,它采用的自主减速、悬停等技术,为“天问一号”打下了坚实的基础。

  目前为止,人类的火星探测器踏上的都是“单程旅途”,最终的“取样返回”还没有成功先例。陶建中说,探测器可以用自身搭载的仪器在火星当地完成一部分检测分析,并把数据传回;但是更多的分析,例如同位素检测,目前还必须将材料带回地球才能开展,这是取样返回的意义所在。

  探测器要从火星返回地球,难度比只是单程前往要增加很多。陶建中表示,这首先需要更多的燃料。显而易见,从火星出发时的探测器不再有“胖五”这样的大推力火箭的助攻,要靠自身动力进入轨道。如此一来,它从地球出发时就需要带上更多的燃料,需要更大推力的火箭。同时,探测器从火星启航时,不像从地球出发时有这么多导航系统为它服务,它要以星际空间中的物体为参照物来自行导航、自主返回。

  另外,探测器返回经过地球大气层时,速度更快,摩擦产生的温度更高。陶建中介绍:我国的“神舟飞船”返回穿越大气层时表面温度为1500摄氏度;如果是月球探测器,这个温度将达到3000摄氏度;而从火星返回,温度可能更高。这就对探测器外部材料抵抗高温的性能提出了更高要求。

  我国探测火星的下一步计划是挑战采样返回。“嫦娥”将再次为“天问”开展先行尝试:2020年,“嫦娥五号”计划发射升空,实现对月球的采样返回探测。对火星的取样返回预计在2030年前后实现,这意味着中国已进入火星探测的第一梯队。


“移民火星”能实现吗?


  “对于火星,我们还知之甚少。”陶建中告诉《万博体育网址周刊》记者,人类对于地外星球要经历“探测、开发、利用”三个阶段,而对火星尚处于探测的初期阶段。“我们只有先把火星探测清楚,知道上面究竟有些什么,才说得上对它进行开发和利用。”

  要做到这一点,最终还是需要把人送上火星。对于中国而言,先把航天员送上月球,在这个过程中进行探索和验证,这是更为现实也更为合理的路径。

  陶建中介绍说,“嫦娥”系列的六号、七号、八号飞行器的终极使命是为到月球建立基地做准备。他说,月球南极有一块区域常年有阳光照射,这为收集太阳能提供了条件;就在离它不远的永久阴面有水冰,水冰不仅可以转变为维系生命所需的液态水,还可以分解为氢和氧成为动力来源。这里是建立月球基地的理想地点。

  如果要把建设基地的材料全部从地球运到月球,耗费的资源就太大了,最好的办法是就地取材。陶建中说,月壤的主要成分是火山岩,将来我们可以用3D打印技术,采集当地随处可见的月壤作为建筑原材料,把基地建起来。为了让这样的设想成为现实,中国的航天工作者已经用地球上与月壤成分相近的材料开展研究。当然,建设月球基地的工程量是巨大的,国际合作有望加速这一进程。

  即使基地成功建立,但人类想要大规模移民月球还并不实际,因为月球的自然环境与人类宜居条件还差得太远,如果要做大范围的人工改造,付出的代价可能太大。

  从现实的角度来说,人类登月一方面是为了给航天科研寻找具有独特优势的地点,例如月球背面没有来自地球的电磁波干扰,是监测来自宇宙深处的微弱信号的理想场所;另一方面,则是计划开发月球上的能源。已知月球上的氦3储量至少有100万吨,这是地球储量的200万倍;而氦3是一种在聚变时不会产生中子辐射的清洁核能源,100吨的氦3释放的能源足以满足当前全球一年的消耗。当人类成熟应用可控核聚变技术后,月球上的氦3将发挥巨大的价值。

  火星的自然条件要比月球更接近地球,例如一个火星日的时间与一个地球日相差无几,火星上也有像地球一样分明的四季,等等。但是要成为数量可观的人类的聚居地,改造火星环境的难度和要花费的资源并不会比在月球小。

  不过,这并不妨碍人们对移民火星畅想的热情。今年的火星探测发射窗口无疑是征集这些创意的一次极佳的契机,例如,以中国航天为背景,始于2019年11月的“未来火星生活设计大赛”就收到了来自全球20个国家及地区的3000余件作品,许多人展开了对“移民火星”的想象蓝图。

  火星上是否有像月壤一般的适用于3D打印的建筑材料,目前还处于研究中,不过已经有人在设想将足够轻的建筑材料运送至火星。是否有一种轻量并且在抵达火星后马上可以大面积生长的东西呢?在“火星生命之种”的设想里,竹子被选中了,理由在于它是一种适合在恶劣条件下进行培育的理想植物,能承受极端的温度波动,并且不需要授粉便能繁殖。设想认为,火星的大气层由95%的二氧化碳组成,在改造后适合植物的快速生长。同时,竹子还可以作为食物来源。按照这样的设计,火星上将竖立起一座座竹制的椭球体高楼。

  “火星城” 应该是什么形状的?有的设想中,该城市按六边形布局,中心作为城市的主要功能区,服务于日常运作;而工业建筑、医疗建筑、农田和仓库都位于城市的外缘。城市中心到其他任何区域的距离都是最短的,由地下道路网络连接。为了防止辐射,建筑物将被置于地下。城市采用火星风化层3D打印建造,光照将通过人工日光系统来提供。在另一个设想中,火星城市则是一个栖息“圈”。“圈”不仅意味着圆形的空间布局,还意味着人们的生活圈和交往圈,以及火星上和谐可持续的生物圈。

  为了提高人类在火星生活的安全系数,“坑中世界”的构想从多方面分析了火星的环境灾害条件,把城市建在火星的巨大陨石坑中,利用钢架结构拼接的方式搭建巨大的玻璃温室,让温室内的环境满足人类生存条件。

  在一个8岁的中国孩子眼中,从地球到火星的太空旅行是发生在胶囊建筑里的。这些胶囊在太空轨道漂流,最终在火星着陆展开成为基地建筑,孩子们在那里开启了探险之旅。

  实际上,对青少年的火星科普不只在设计图纸上,也落到了地球上的现实环境里。戈壁地貌、险峻山脉、红色岩体,甘肃省金昌市金川区的戈壁滩地形地貌及自然条件与火星有天然的相似性,这里已在2018年建立起“火星1号基地”。

  这是中国青少年航天科普项目“太空C计划”的一个火星模拟生存基地,包括气闸舱、总控舱、生物舱等9个舱体以及舱外场地。所有舱体都在最大程度上模拟人类在火星上生活的场景。例如,在生物舱,人们可以体验到航天员登上火星之后,人工创造水、热、光、气等条件,培育植物和蛋白质虫的过程。

  再回到现实,依照目前的航天发展水平,许多专家共同的认识是:人类首次登上火星的日子,大概在30年后。


向更远的深空探索


  除了实现“移民火星”的目标,研究火星也能帮助人们对地球生命的进化、大气和磁场演变等有更好的认识。“火星的现在很可能就是地球的未来。”陶建中表示,火星可能在之前经历了与地球类似的环境变化,更多了解火星的现在和过去,可以帮助我们更好地解析地球的未来走向。

  当然,对深空的探测,同样是为了解决千百年来人类思考的一个问题:地外生命是否存在?

  1995年,日内瓦大学的米歇尔·马约尔与迪迪埃·奎罗兹发现了第一颗围绕类日恒星运行的系外行星,距离地球只有50光年。这一发现让两人获得了2019年诺贝尔物理学奖。两位科学家的发现开启了天文学的一场革命,自那之后,人们在银河系内已经发现了4000多颗系外行星。

  在“天问一号”发射升空之后的在线论坛上,迪迪埃·奎罗兹介绍说:最新研究表明,地球上的生命可能不是源自海洋底部,而是地球表面。因此“天问一号”对火星表面的探测,有可能让科学家获得生命起源的化学证据。

  米歇尔·马约尔表示:中国等多个国家正在开展的深空探测项目有可能发现“地外生命”,证明生命是宇宙演化的必然产物。在太阳系中,火星是最接近地球的行星,拥有岩石表面和大气层,所以西方人曾认为存在“火星人”。根据已知的深空探测结果,“火星人”这种高等生命是不存在的,但这并不排除火星上有低等生命或生命曾经存在的证据。因此,“天问一号”对火星大气、地表和地下的探测结果,十分令人期待。

  火星因为与地球环境较为相似,因而成为人们寻找地外生命的焦点。那么,在人类看来环境恶劣的星球就一定没有生命存在吗?迪迪埃·奎罗兹并不这么认为。以同样是地球近邻的金星为例,在他看来,那里虽然表面温度超过450摄氏度,大气中充满硫酸液滴,但并不意味着肯定没有生命。此外,金星是否有水也是个至今没有定论的问题。因此,他认为深空探测不应忽视这颗星球,“向金星发射探测器的难度比火星小,各国的航天部门今后可以开展金星探测”。

  在火星之外,人类寻找“地外生命”的热门目标还有木卫二、土卫六这两颗卫星。1979年诺贝尔物理学奖得主谢尔顿·李·格拉肖说:作为木星的第四大卫星,木卫二拥有稀薄的大气层,表面覆盖着厚厚的水冰,地下深藏着大量液态水,有些地下水还会溢出到表面。如此广袤的水冰海洋是否孕育出了生命?这是一个非常值得探究的科学问题。土卫六也很有研究价值,它是土星的最大卫星,拥有稠密的大气,天气变化活跃,表面还有众多河流和湖泊,所以也有存在生命的可能。

  中国“天问”的探测目标也远非只在火星。“天问”是中国的行星探测计划,将包含一系列任务,预计2030年前后,“问天之旅”将包括火星采样返回、小行星探测、木星系探测等。

  其实,中国的行星探测在数年前已经起步。“嫦娥二号”完成既定的探月任务后,继续在太空发挥余热。2012年4月,它圆满完成在日地拉格朗日L2点一个完整周期的飞行探测,成功绕飞L2点,进入转移轨道飞行。当年12月13日,“嫦娥二号”与国际编号为4179的图塔蒂斯小行星“擦肩而过”,最近交会距离不到1公里,首次实现了我国对小行星的飞掠探测,成为我国第一个行星际探测器。而后,“嫦娥二号”继续飞至1亿公里以外,对我国深空探测能力进行了验证,成为当前我国飞得最远的航天器。

  美国1977年发射的“旅行者一号”和“旅行者二号”,目前已经飞行了210亿公里和180亿公里,超出了太阳风覆盖的范围,是人类飞行距离最远的航天器,但这离飞出太阳系的边缘、半径约1光年的奥尔特云还有很远。当携带的动力在接下来的几年耗尽后,它们将在宇宙中漂流,谁也不知道它们能再旅行多久。

  那么,人类是否有能力把航天器送到太阳系之外?

  2006年诺贝尔物理学奖得主乔治·斯穆特三世认为:按照现有的宇宙飞船速度来说,我们将宇宙飞船送往最近的星际空间,需要12万年。即使用最先进的发射器、最前沿的轨道控制手段来缩短宇宙飞船的飞行时间,仍然需要2000年。所以将航天器送出太阳系的难度非常大。

  他介绍:有一个进行中的研究项目叫作“Star Shot(射星)”。该项目计划制作1克重的宇宙飞船,发往太阳系的边缘。为什么只有1克重?因为仅仅是1克,也需要全人类生产的全年能源,才能完成这个计划。“实际上,我们真正消耗的能量更多,甚至需要全人类上百年的能源,才能将其送到太阳系的边缘。”

  目前,研究人员制定的方案是:制作1000个3克重的宇宙飞船,发往距离太阳系最近的59个恒星系统。为什么1000个宇宙飞船只有59个目标?因为在高速飞行过程中,很多宇宙飞船可能损毁。“我们相当于把油漆点大小的宇宙颗粒发往宇宙,途中遇到任何一颗尘粒都可能非常危险。我觉得这是一个很艰难的项目,进展不会很迅速,让我们拭目以待。”

  在陶建中看来,就算把眼光先放回太阳系内,要实现比火星距离更远的充分深空探测,人类要解决的难题还很多。例如化学燃料推进的飞行器速度太慢,当人类掌握可控核聚变技术时,才可能实现对太阳系内行星际空间的充分探测。再如,电磁波通信的速度受限于光速,人类必须掌握量子通信等速度更快的通信方式。另外,太空航行要解决的最大问题是人本身的问题。长期的太空航行,人类将患上肌肉萎缩、骨质流失、大脑有氧功能下降、免疫力下降等“太空病”,这些暂时还无法彻底解决;同时,长期孤独航行,心理面临的巨大考验也是不容忽视的问题。

  这一切的难题,有待人类齐心协力地攻克。如果仔细观察“天问一号”发射前的直播画面,人们会发现长征五号遥四运载火箭的整流罩上绘制的徽标除了中国国家航天局,还有欧洲空间局ESA、法国国家空间研究中心CNES、阿根廷国家航天委员会CONAE和奥地利研究促进局FFG。中国的火星探测是一个开放性的科学探索平台,此次火星探测任务既是中国航天工作者自力更生自主创新的结果,也是国际航天合作的成果。在中国将来的航天事业中,这样的合作也将持续下去。广袤无边的宇宙,完全容得下各国携手共探“深空梦”。

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