什么叫“火星探测”?

追风少年

什么叫“火星探测”?

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火星探测
    火星，自古称为荧惑，荧是火光明亮的意思，惑则是疑惑。火星是太阳系第四颗行星，也是地球之外的第一颗行星，距离地球并不远，是全天第四亮的行星。由於表面地质有大量的氧化铁--也就是铁锈，所以呈现鲜艳的红色，古人才会称之为「火」星。
  而有趣的是，火星的运行会有时前进、有时停滞甚至有时还会倒退！这就是火星的顺行、留与逆行。行星怎么会「倒退走」？又不是在跳「恰恰」！在古时候，这真是不可思议的事情，所以才叫做「惑」！现在的日本语中，对行星还是称为「惑星」，就是这样来的。
  其实以现在的眼光来看，火星的逆行一点也不奇怪，因为地球「追」过了火星，相对来说，火星就是在退后嘛！所以当地球一年一度追过火星的时候，火星就会有「逆行」的现象。
  火星对地球上的人类来说，是一颗充满了「致命吸引力」的行星，因为火星的一切条件都指出：火星上可能有生命！而且可能是适合人类居住的另一颗行星。因此，不管是美、苏还是欧洲、日本，都把探测火星当做是太空探测最重要、最急迫的事来做。
  由于美国"勇气"号火星车经过半年多星际旅行后在火星表面成功着陆，从而引起世界各国掀起新一轮火星探测高潮。这里我们整理了一组有关火星探测的资料，供读者学习、浏览。
人类探测火星历程
  火星(mars)是太阳系九大行星之一，按离太阳由近及远的顺序排列为第四。火星的赤道半径为3398公里(地球为6378.188公里)，质量为6.421×（10的26次方）克(地球为5.976×（10的27次方）克)，火星的自转周期为24小时39分22.6689秒(地球为23小时56分4.09秒)，它与地球的距离为1.9亿公里。
  火星表面的特征是在赤赭色亮区上叠加着若干暗区，其表面地域有三种类型：1.环形山地域，是年龄至少为几十亿年的古老地域；2.混杂地域，在这类地域上，山脊和凹地杂然并存，基本上没有新形成的环形山；3.无结构地域，火星表面被铁的氧化物所覆盖，故呈红色。火星上有山脉、盆地、环形山、峡谷、火山、河床和极冠。构成极冠的主要成分是冷冻的二氧化碳，又称干冰，也含有水冰。寒暑更迭使干冰凝结或融化，极冠面积也随之变化。火星大气十分稀薄，气压约为7.5毫巴，昼夜温差较大。火星的内部结构与地球一样有核、幔和壳，但它的地质构造活动没有地球剧烈。火星磁场强度仅约为地球的万分之三。
  由于火星有极冠，表面有水的迹象和火山迹象，与地球相似，这些迹象是导致生命起源的主要因素，因此火星是否存在生命一直是天文学家长期争议的论题。为了找到这一论题的答案，科学家们开始了探测火星的工作。
  人类探测火星活动大事年表：
  1962年11月，前苏联发射了“火星1号”(mars 1)探测器，探测器掠过火星表面进行探测活动。但“火星1号”在飞离地球1亿公里时与地面失去了联系，从此下落不明。作为人类发射的第一个火星探测器，它被普遍认为是人类火星之旅的开端。
  1964年11月，美国向火星发射“水手4号”(mariner 4)飞船。1965年7月15日，美国的“水手4号”飞船接近火星，从距离火星1万公里处拍摄了21幅照片，发现火星上存在大量环形山，火星大气密度只有地球的1%，火星既没有熔化的铁核也没有磁场。
  1965年：前苏联发射探测器2号(zond 2)，探测情况没有公布。
  1969年，美国“水手4号”发回75张照片。同年，美国“水手5号”和“水手6号”飞船再次掠过火星。它们拍摄的200多幅照片表明，火星表面的温度比预想的更低，火星大气中二氧化碳含量高达95%，水蒸气几乎难以寻觅。当年，美国水手7号(mariner 7)探测器发回126张照片。
  1971年11月，美国发射的“水手9号”(mariner 9)飞船进入火星轨道，成为火星的第一颗人造卫星，环绕火星轨道进行长期考察。“水手9号”成功拍摄了火星全貌，发回7329张照片，确认火星上并不存在运河，火星的一个半球上有许多环行山，外貌很象月球，另一个半球则比较平坦。
  1971年5月19日和28日，前苏联的“火星2号”(mars 2)和“火星3号”(mars 3)飞船相继发射升空，希望在火星着陆。“火星2号”同年11月投下一个探测仪器，但摔毁在火星表面；“火星3号”的登陆舱同年12月在火星上软着陆，但仅送回22秒钟信号就永远停止了工作。
  1974年，前苏联火星5号(mars 5)探测器沿着火星轨道飞行了数天。同年，前苏联火星6号(mars 6)和火星7号(mars 7)探测器在火星着陆，探测结果没有公布。
  1975年，美国向火星发射“海盗1号”、“海盗2号”宇宙飞船。1976年7月和8月，美国“海盗1号”(viking 1)、“海盗2号”(viking 2)飞船的着陆器分别在火星成功着陆。这两个着陆器携带了许多精密仪器，分析了火星的土壤，测量了风速、气压和温度，并确定了火星的大气成分。把火星探测活动推进了一步。在此后几年中，两艘飞船几乎拍摄了火星的整个表面，并向地球发回了异常清晰的火星照片51539张以及大量的探测数据。1978年7月，“海盗2号”停止工作。1980年8月，“海盗1号”也结束了它4年的观测使命。
  1989年，前苏联福波斯1号(phobos 1)和福波斯2号(phobos 2)探测器在前往火星的途中失踪。
  1992年9月25日，美国“火星观察者”号(mars observer)探测器发射升空，但这个探测器在1993年8月进入火星大气层前与地面失去联系。
  1996年，俄罗斯“火星—96”航天器(mars-96)发射失败。
  1996年11月6日，“火星环球观测者”(mars global surveyor)飞船发射升空。这次探测的目的是收集有关火星大气、外表和内部结构的各种数据，拍摄火星两极和火星上弯弯曲曲的“运河”，以帮助科学家了解火星上是否曾存在河流。1996年12月4日，携带“旅居者”火星车的“火星探路者”号(mars pathfinder)飞船启程。经过长达4.94亿公里、历时7个月的长途旅行后，它于1997年7月4日在火星阿瑞斯平原着陆。这次探测的主要目的是让有轮子的“旅居者”在地面工作人员的遥控下在火星上行驶，以实现对火星较大范围的移动考察。这次探测活动使人类对火星地表景观有了直观的认识。“火星探路者”发回了数千张火星地表照片，其中包括许多特写镜头和360度彩色全景照片。人们从这些照片得知，火星阿瑞斯平原看起来就像地球上的荒漠；同地球一样，火星上也有山脉，有丘陵，有沟谷，甚至还有陨石坑。旅居者号火星车上有一台阿尔法-质子-X射线光谱仪，能现场分析岩石的化学成分，并将分析结果传回地面控制中心。
  美国国家航空和航天局公布的火星探测机器人“火星探测流浪者”号探测器的概念照片
  分析结果表明，火星同地球一样，有多种不同种类的岩石，有的岩石在化学成分上与地球上的岩石非常相似。从火星车留下的车辙看，火星表面的一层虚土，下面则是坚硬的壳层。“火星探路者”还获得了许多有重大价值的信息，分析整理这些信息需要几年时间。1998年3月，“火星探路者”号飞船及其携带的火星车停止工作。“火星探路者”共向地面传回了26亿比特的科学信息、1.6万幅图片以及对火星岩石和土壤进行了15份完整的化学分析结果。
  由于“火星探路者”的成功探测，科学家们将进行下一步火星探测，即派遣一个自动取样飞船前往火星，把火星上的多种样品带回地球供分析研究。1998年12月和1999年1月，美国宇航局先后发射两个火星无人探测器——“火星气候探测器”(mars climate orbiter)和“火星极地着陆者”(mars polor lander)。“火星气候探测器”1999年9月在进入火星大气层时被烧毁。“火星极地着陆者”也于同年12月在预定着陆时间后下落不明。后查明原因为起减速作用的火简发动机关闭过早。接连两次探测火星的失败严重影响了美国宇航局的火星考察计划，并使其一度中断。
  1998年7月，日本发射“希望”号火星探测器，2003年12月日本航天机构宣布这次火星探测失败。
  1998年12月，美国“火星气候探测者”发射升空，但1999年9月在进入火星大气层时被烧毁。
  1999年1月，美国发射“火星极地着陆者”探测器，它在预定着陆时间过后下落不明。
  2001年4月7日，美国“奥德赛”火星探测器(mars odyssey spacecraft)发射升空。“奥德赛”将对火星进行为期两年半的地理勘探，主要任务仍然是在火星上寻找水，以确定这颗红色行星上是否存在生命。这次发射标志着美国火星探测计划重新启动。
  2003年6月2日，欧洲宇航局“火星快车”探测器发射升空，它携带的“猎兔犬2”号登陆器预定于2003年12月25日凌晨登陆火星，但直至今日地面控制中心仍未与其取得联络。
  2003年6月2日，欧洲宇航局“火星快车”探测器发射升空，它携带的“猎兔犬2”号登陆器预定于2003年12月25日凌晨登陆火星，但直至今日地面控制中心仍未与其取得联络。
  2003年6月10日，携带“勇气”号火星车的“火星探测流浪者”号探测器（图1）飞向太空。按计划，探测器将于2004年1月飞抵火星轨道，随后将通过降落伞和气囊缓冲方式，向火星“古谢夫环形山”投下“勇气”号，以寻找那里是否有水的踪迹。“勇气”号火星车的“孪生兄弟”“机遇”号火星车7月7日成功升空，也踏上去火星找寻水和生命存在踪迹的漫漫旅途。2004年1月4日12时38分左右，美国"勇气"号火星车经过半年多星际旅行在火星表面成功着陆，并于20时52分向地球发回第一个信息，后发回三维全景彩色照片（图2）。与此同时"机遇"号正在奔向火星的征程之中。从而引起世界各国掀起火星探测的新一轮高潮。    据美国火星探测计划项目负责人费罗茨·纳达利博士透露，美国已制定了本世纪头十年详细的火星探测计划。每隔26个月，美国将发射一个火星探测器。其中2005年将发射一个名叫"火星侦察者"的轨道探测器，它能够拍摄到火星上相当于一个足球大小物体的图像。2007年，美国一共将开展四项针对火星的探测行动。其第四项行动也是发射一个火星着陆器，它将会在火星冰层附近一个盆地边降落。2009年，美国宇航局将会把一个更大的名为"火星科学实验室"的登陆器送上火星，这是一个重达600到1000公斤的大型火星车，可在火星表面行走数公里远。 "火星科学实验室"使用核动力，将带有大量的分析检测设备，用以探明火星上岩石和土壤的成分，寻找可能形成火星生命的化学成分，能在火星上持续工作许多年。
  欧洲将推出"极光计划"行动。"极光计划"时间跨度为30年：2007年研制成功具有高速载人技术的返回设备；2009年，向火星发送"漫游者"飞船，寻找验证火星上的生命迹象；2011年到20 14年，将第一份火星物质样品带入地球以进行人类登陆火星论证；2026年，通过自动机械登陆火星任务来验证人类火星任务的各个主要阶段；2030年到2033年，人类实现登陆火星梦想。
  俄罗斯曾经早于欧洲提出人类登陆火星计划。俄罗斯航天官员宣布，俄罗斯将在2015年前派人登上火星。根据计划，俄罗斯航空航天部门届时将派一个6人小组登上火星，这一计划预计将耗时大约440天，需要花费200亿美元。
  中国正在制定的《国家中长期科技发展规划》将有望把对火星等行星探测列入其中，目前，一些关于火星环境的研究课题正在展开。根据中国科学家的设想，中国将于2020年前发射自己的火星探测器。
人类为什么不断地渴望探索火星
  1． 神秘的火星
  火星按离太阳由近及远的顺序为第四颗行星。肉眼看去是一颗引人注目的火红色的亮星。它缓慢的穿行于众恒星之中，从地球上看火星时而顺行，时而逆行。火星最暗视星等约为＋1．5等，最亮时比最亮的恒星天狼星还亮，达-2.9等，这是由于地球和火星分别在各自的轨道上运行，它们之间的距离总在不断变化。火星荧荧如火，亮度常变，位置不定，令人迷惑，所以，中国古代称火星为“荧惑”。而在西方古罗马的神话中，把它想象为身披盔甲浑身是血的战神“马尔斯”（Mars），即希腊神话中的战神阿瑞斯(Ares)。阿瑞斯身世高贵，其父是神王宙斯，其母是天后赫拉。天文学中火星的符号是马尔斯的长枪和盾牌的组合。
  火星有很多特征与地球相似。它距离太阳22794万千米，约为日地距离的1.5倍；自转轴与轨道平面的夹角为24°，和地球一样有着一年四季的变化；它自转一周比地球多半个多小时，为24小时37分22．6秒。所以火星和地球的昼夜长短基本差不多，但绕太阳公转的周期，火星的一年几乎等于地球的两年。因为火星离太阳较远，公转一周为687日。火星的直径约为地球的一半；体积还不到地球的1／6；质量仅是地球的1／10；火星大气远比地球的稀薄，它的主要成份是二氧化碳，占95％，氮占3％，还有数量极少的氧与水份。
  火星上的平均温度为-23℃，由于火星大气稀薄而干燥，所以它的昼夜温差很大，远远大于地球上的昼夜温差。因火星表面温度低、压力小，大气中的二氧化碳和水大致都呈饱和状态，只要气温稍一降低，二氧化碳和水蒸气就会凝结。火星大气中的水份极少，科学家估计，倘若把火星上的水冰全部融化成水，也只能在火星表面形成一个10米深的大海。与我们地球表面的波涛茫茫的海洋相比，火星上的水量就显得微不足道了。
  2．我们会在火星上生活吗?
  到2017年，人类有可能实现让少数人到另一个星球定居。
  就连美国这个表面上热衷于航天研究的国家，关于火星的梦想也是不切实际的。早在阿波罗飞船的宇航员忙着登月时，火星似乎就已经成为下一个目标。但在过去25年中，我们所能取得的最好成绩不过是向火星发射了几个无人探测器罢了。在最近两个火星探测器因故障而烧毁，以及一份措辞严厉的报告指责美国航天局管理不善是造成两次失败的原因之后，就连这些似乎也开始远离我们。
  但是，火星毕竟已经回到宇宙航线上来。美国航天局和私营部门的科学家一直在悄悄制定飞行计划，设计不仅能使人登上这颗“红色星球”而且经济上也行得通的航天器。他们相信，硬件大体上已经具备。他们认为，资金是可以解决的。美国航天局约翰逊航天中心空间研究主任布雷特·德雷克说：“我估计，用不了25年，我们就能把人送上火星，并到火星进行勘探。”
  火星登陆的关键是巧妙登陆和降低成本。1989年，布什总统在纪念阿波罗11号登月20周年期间，要求美国航天局解决怎样把人送上火星的问题。随后，美国航天局提出了为期30年的庞大计划，其中包括在地球低轨道建造太空舱和燃料补给站，并开出4500亿美元这一让人咋舌的天价。
  在美国航天局1989年提出计划后的10年中，美国航天界被一项称做“Mars Direct”的飞行方案迷住了。Mars Direct计划是美国航天局的承包商、马丁一玛丽埃塔航天设备公司的工程师制定的，它不仅提出到火星上做客，而且主张在这片外星土地上居住。
  使Mars Direct计划备受瞩目的，是这项计划背后潜藏的科学性实在太平凡了。宇航员居住的宇宙飞船，是从美国航天局自发射“水星”载人飞船以来一直在研制的增压舱派生出来的。用于推动宇宙飞船升空的起飞发动机，是用航天飞机的发动机改造的。用于从火星大气中提取水所需的技术，是早年化学试验的产物。正是由于这一原因，Mars Direct计划所需的费用是完全可以承受的：5次飞行大约需要400亿美元，按现在的美元计算，还不到阿波罗计划的一半。
  但是，难道花钱不多的太空旅行是到火星旅行的最好办法吗?美国航天局火星无人探测器的最近几次失败表明，用现成部件临时制造的代用品也许可以省钱，但一旦轮到它们飞行时，它们常常无法准确抵达目标。因此，约翰逊航天中心的工程师正在考虑其他火星登陆方案：仍包括可节约费用的就地生产燃料，但主张采用可乘6名宇航员、体积较大的飞行器和类似阿波罗的火星轨道母船。
  美国航天局和火星协会的研究小组正在向位于加拿大北极地区的德文岛派出探险队，以练习求生技巧和勘探技术。德文岛与火星上寒冷干燥的荒原相似。约翰逊航天中心的研究小组正在改进飞行方案，并尽可能地把费用降到最低限度。   
2015年人类登陆火星？
  随着“勇气号”火星车成功地在火星表面的登陆，载人登陆火星探险的话题又被提上了科学家们的议程。据美国媒体15日报道，为了给将来的载人火星飞行做初步考察准备，美国宇航局（NASA）、欧洲宇航局和法国太空局的科学家们即将在南极洲进行多种“人类适应太空”实验，一旦实验证明人类完全可以适应未来往返行程至少长达1年的“火星之旅”，那么人类很可能会在2015年左右登陆火星！
   在南极训练“火星人”
  据报道，美国NASA、欧洲宇航局、法国太空局和两个南极研究小组日前已经开始联手合作，准备在人迹罕至的南极洲地区进行一项模拟“火星人生活实验”。
  据报道，模拟“火星人生活实验”将在法国和意大利建造的南极工作站———肯考迪娅基地进行。作为地球上最与世隔绝的地方，肯考迪娅南极基地将提供与人类火星任务极端相似的外部环境。肯考迪娅南极基地负责人奥利弗·安格勒对记者说∶“该基地每年有8到9个月的时间都处于完全与世隔绝的状态，这可以让实验者充分体验与火星飞行任务完全相似的隔离环境。”
  可能花费4500亿美元
  与此同时，美国NASA的载人火星飞行计划也在稳步进行之中。早在15年前，NASA就提出了“人类登陆火星”设想，这种设想已经扩张成一个详细的《90天报告》。该报告提出，从地球前往火星的载人飞行可能将耗资4500亿美元，需要建一艘像足球场一样长的核动力太空船，需要在里面装载上足够人类往返火星一年途中所必需的各种生活设备和运行燃料。近两年来，NASA又提出了多种载人登陆火星计划可行性报告，包括利用火星的两个卫星做火星空间站，从上面再转道飞往火星等。NASA认为，如果一切进展顺利，人类有可能会在2015年左右登陆火星。
  法国招募女“火星人”
  与此同时，法国太空局日前正开始招募25名女性“火星人”志愿者，这25名被选出的女性志愿者，将于明年到位于图卢兹太空医学学会的模拟失重状态的实验舱内接受“太空实验”，她们将躺在一张特制的斜床上，头部朝下共躺两到三个月的时间。这种特制的6度斜床是宇航员躺在太空船中飞往火星时的“正常角度”。据报道，未来首次登陆火星的宇航员人选很可能就会在这些普通的实验者中选出。（木雅）
  困难篇
  如何克服登陆三大难题？
  技术： 提高航天器速度
  目前研制的火星探测器都没有载人，但发展载人火星飞船是迟早的事。不过，登月难，登火星更难。个中原因归根结底仍是技术上的：单就登上火星而言，登月技术完全可以实现，问题出在火星与地球的距离上。火星距离地球1．9亿公里，而月球与地球仅相距38．4万公里，现有的航天器从地球到火星要飞行至少半年，在此期间宇航员的给养供应肯定会发生困难。科学家提出，提高航天器速度和设计可循环利用资源的设备都是解决这一问题的途径，这必须依靠科技的发展来实现。
  供氧： 火星上种植蔬菜
  根据登陆火星计划，科学家们应先发射一颗像土星5号那样的运载火箭，将一个包含着至少7吨液态氢和50千瓦核反应堆的自动化“小型化学工厂”送上火星表面，这个小型工厂能生产纯水、氧气和作为燃料的甲烷。甲烷气体被液化处理后，可以作为燃料储存起来。当一部分电流通过纯水之后，又可以产生化学反应收集到足够的氧气。
  而此时，一架载人太空船可以轻松地从地球发射升空，当180天后宇航员到达火星时，他们将会发现“小型化学工厂”已经制造出了足够的氧气和燃料，氧气和水将会成为未来火星殖民的主要生命线。罗伯特·祖伯林教授称，早期宇航员还可以尝试在火星上建立“人造温室”，这样蔬菜和植物就可以在火星表面的温室中生长出来。当数百年过去后，植物吐出的氧气越来越多，火星岩石中的二氧化碳也更多释放出来，难保火星有一天不会重新变成一个与地球类似的“绿色星球”。
  集资： 发行“火星债券”
  事实上，人类登陆火星的巨额经费正是科学家们最头疼的问题，根据N ASA的一份报告，从地球前往火星的载人飞行可能将耗资4500亿美元。
  美国南卡罗莱纳州查尔斯顿著名的投资智囊团“1248协会”负责人理查德·阿兰·布朗教授称，除了政府投资外，人类登陆火星的经费还可以通过出售“火星债券”的方法来募集。譬如可以由一家保险公司向公众出售200亿美元甚至更多经费的“火星债券”，每份“火星债券”价值2万美元，在100年之内，持有火星债券将不会有任何收益。但是，每份债券的持有者将可以有权获得40平方英里的火星土地所有权等。
  而美国前火箭科学家亚历克斯·杜肯则称，发行“火星债券”募钱的方法太慢了，最好是创立“火星彩票”，中大奖者将可以在人类第一次前往火星的旅途中得到一个“免费座位”。
  又逢“火星热”季节
  1962年11月，原苏联发射了“火星1号”探测器。作为人类发射的第一个火星探测器，它被普遍认为是人类火星之旅的开端。此后，人类又发射30多颗无人火星探测器。
  2003年，各国又掀起了火星探索的新一轮热潮。单单今年6月份，就先后有3个探测器开始自己的火星之旅：6月2日，欧洲航天局的第一个火星探测器“火星快车”带着“猎兔犬—2”着陆器已经奔赴火星；11日，搭载着美国宇航局“勇气”号火星车的火星着陆探测器也启程前往火星；另一颗搭载着“机遇”号火星车的火星着陆探测器则计划于25日前往火星。科学家预测，今年底到明年初，火星轨道上有可能出现6颗探测器。
  终极目标
  把火星建成第二个地球
  火星是地球的近邻，其独特的空间位置、气候和地质状况使它有可能成为天文观测、科研和人类移民的彼岸。在1969年“阿波罗”登月成功后，科学家们就把火星定为下一个要征服的星球。
  不久前，俄航空航天局已拟订了火星登陆计划，将与美国、欧洲、日本和加拿大航天部门合作，于2014年到2015年间向火星发射载人飞船和货运飞船，对火星进行实地考察。根据科学家的设想，如果能充分利用现有的技术，得到足够的投资，那么人类将可在2015年前后实现登陆火星的梦想，并随后在火星上建立基地，逐步把火星环境改造成适合人类居住的第二个“地球”，进而实现大规模的火星移民。
  科学家预测，如果有一天，人类真的可以在火星上生活繁衍，那么人类将得到一个新的星际航行出发点，“人类是否孤独”的疑问也将在更广阔的太空中得到答案。无疑，这种诱惑是难以抗拒的。

传播11

火星探测：太阳系中的行星-火星

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往火星上发探测器。