中美阿三国火星探测器排队上天,分别叫天问、毅力、希望

鹰隼

在太阳系中，火星算是除了月球之外关注度最高的一颗星球。有很多证据显示，如果人类未来要进行星际移民，火星很可能是最有潜力的“第二家园”。
在未来一个多月里，我们可能会看到三项不同的火星探测任务正式启动，分别来自中国，美国和阿拉伯联合酋长国（阿联酋）。《自然》杂志在 7 月 7 日对这三项火星探测任务报道。
各国之所以选择扎堆发射，是因为今年 7-8 月是火星探测的宝贵“窗口期”。
根据火星与地球之间的运动关系，再考虑运载火箭的技术水平，大约每 26 个月才会出现一次合适的火星探测器发射时机。
如果错过这一时间点，就只能再等两年多：由于准备工作尚未完成，原本计划在同一时间段发射的欧盟 - 俄罗斯 Rosalind Franklin 探测车已经被迫延期到 2022 年。


图 | 火星照片（来源：Emily Lakdawalla/ISRO/ISSDC）
虽然都是探测火星，但中、美、阿三国各有不同的战略目标。
作为第一次火星探索，中国将迈出 “天问” 行星探测计划的第一步，派遣飞行器和探测器执行 “绕、落、巡” 任务，同时完成对火星环绕、着陆和探测，收集各种数据的同时为将来带回样本做铺垫。
美国将发射一台新的火星探测车“毅力号”，取代逐渐衰老的“好奇号”。其主要任务是收集岩石和土壤样本，继续探索火星的环境和生命迹象，并且为日后运送样本回地球做准备。
跟中国类似，阿联酋也是第一次执行火星探测任务，不过目标仅限于派遣轨道飞行器 “希望号” 环绕火星，追踪大气变化，并没有登陆和探测计划。
幽幽天问，剑指苍穹


对于中国来说，“天问一号”是自主火星探测任务的首秀，意义非凡。
最开始，中国打算与俄罗斯和欧盟合作推动火星探测计划，于是加紧开发出了小型探测器“萤火一号”，希望赶上 2009 年的发射窗口期。但俄罗斯方面出现延迟，发射被迫延期两年。
到了 2011 年 11 月，俄罗斯的运载火箭终于成功发射，但搭载了 “萤火一号” 的“福布斯 - 土壤号”未能成功变轨，只能坠落进大气层中烧毁。“萤火”也就此熄灭。
自此之后，中国走上自主深空探测的道路，选择使用长征系列运载火箭执行未来的发射任务。2016 年 1 月，中国自主火星探测任务正式获批立项。
直到 2020 年 4 月 24 日，中国国家航天局终于宣布，中国行星探测任务正式命名为“天问”，而首次火星探测任务命名为“天问一号”，准备工作正按计划有序推进中。



“天问”这一名字取自于屈原《楚辞》中的长诗《天问》，不仅传达出对自然和宇宙的探索永无止境，还带有几分豪气。

与名字温婉的 “嫦娥” 探月计划不同，豪气的 “天问” 略显低调。过去几年里，官方并没有透露太多细节，就连探测车的名字也没有透露（一度传闻可能叫“赤兔号”）。
我们现在知道的是，“天问一号”任务由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成，计划用一次发射同时完成环绕、着陆、巡视（探索）3 种探测目标，希望实现一举多得。


图 | “天问一号”组成部分概略图（来源：Nature）
这对技术的要求非常之高，迄今为止人类进行过的 40 多次火星探索，绝大多数都是环绕或者着陆 + 巡视，同时执行三种任务的少之又少——过去仅有美国成功过，欧盟的尝试以失败告终。
据中外媒体披露，“天问一号”将采用长征五号遥四火箭，预计发射日期是 7 月 23 日，视天气情况可能改到 8 月，发射地点在海南文昌航天发射场。
如果一切顺利，“天问一号”预计将在 2021 年 2 月进入火星轨道，着陆地点尚未确定，火星乌托邦平原上的多个区域都有可能。


图 | 网格区域是 “天问一号” 预计着陆区（来源：Nature）
从现有资料来看，环绕器将配备 7 台设备，或包括高分辨率照相机、中分辨率照相机、地下雷达、矿物光谱仪、中性和高能粒子分析仪以及磁力仪。探测器则重达 200 公斤，将搭载 6 台设备，或包括遥感相机、探地雷达、多光谱照相机、激光击穿光谱仪，以及探测气候和磁环境的仪器。
这些设备将帮助远在地球的科学家探索火星环境，比如收集沙丘、冰川和火山的图像，研究岩石和土壤成分，收集大气数据并研究磁场和重力场。
接替前辈的“毅力号”


与中国相比，美国在火星探索上有着丰富经验，其探测计划 “火星 2020” 不仅披露了很多技术细节，而且更具目的性。
该计划预计于 7 月 30 日至 8 月 15 日从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射。如果一切顺利，探测器将于 2021 年 2 月 18 日登陆火星，降落点选在曾是湖泊和河流三角洲的杰泽罗陨石坑附近。
“火星 2020”计划将一辆长 3 米，功率 110 瓦特，重 1025 公斤的六轮探测车 “毅力号” 送上火星。不算登陆器的话，这是美国第五次派遣火星漫游车，最近一次是 2012 年 8 月登陆的“好奇号”。


图 | “毅力号”（来源：Nature/NASA）
“毅力号”是基于 “好奇号” 设计的，预计会接替已经工作了 8 年的前辈，肩负未来 5-10 年的火星探测任务。它装备了很多 “好奇号” 上已有设备的升级版，比如识别岩石成分的化学分析仪和全景摄像系统。最关键的是，它将专注于识别和收集岩石样本。
为了执行任务，“毅力号”配有 2.1 米长的机械臂和 43 根试管，可以在岩石上钻出一小段圆柱体样本，并将其存入试管中密封保存。当收集超过 20 管样本后，“毅力号”会将它们放在火星上，等待未来的探测器将它们带回地球。
目前美国计划在 2026 年与欧盟合作执行发射任务，然后在 2031 年将岩石样本带回地球，但这套设想还未正式推进。
如果进展顺利，这些岩石有望成为人类从火星获得的第一批样本，科学家可以用它们分析火星上是否存在（过）生命——“好奇号”已经找到了对于生命至关重要的水分痕迹。
阿联酋的“希望”


阿联酋也计划在 7 月 15 日之后择期开启火星探测项目，发射地点定在了日本鹿儿岛的种子岛宇宙中心。
这将是阿拉伯国家首次自主进行星际探索，其轨道器被命名为“希望号”。
不同于中美两国，阿联酋此次只进行环绕火星的探索，没有登陆的打算。轨道飞行器将围绕火星运动，观测行星的大气层动态，绘制首张火星气象图。


图 | “希望号”（来源：Nature/ESA）
“希望号”预计工作寿命是两年左右，每天都要不分昼夜地跟踪火星的气象变化，收集数据以帮助科学家了解火星气候和大气层变化。
飞行器携带有可见光相机和红外光谱仪，负责研究低层大气的火星云和沙尘暴；还有紫外线光谱仪，负责研究高层大气。
为了这项野心勃勃的任务，阿联酋聘请了很多 NASA 前工程师，而且还得到了 NASA 的技术转让和支持。
阿联酋高级科学部长兼项目科学负责人 Sarah Al Amiri 认为，这样的项目激励了该国的年轻人，从小孩到大学生的热情都与日俱增，从很多方面来看，即使 “希望号” 在发射台上爆炸，任务也是成功的。
40% 成功率


自 1960 年以来，美国、欧洲、俄罗斯和日本先后进行了 40 多次火星探测项目，然而成功率仅有 40% 左右，余下的都撞毁、失灵或失踪了。
即使有了月球探测的经验，火星探测仍是一项非常复杂且艰巨的任务：前往火星的航程是月球的 1000 倍，表面引力是月球的两倍，还有大气层和遍布地表的岩石。
要克服的技术难点比比皆是，比如探测器到火星要 200 多天，期间必须实现超远程通信，还要不断修正飞行方向，最多要顶着 14 分钟的信号传输延迟来操作；到达火星附近后要尽快减速，进入火星引力场，否则容易擦肩而过；在着陆时还要跨越“恐怖 7 分钟”，需要在 7 分钟内将探测器时速从 2 万千米降低到 0，对减速技术要求很高。
在此基础上，中国的 “天问一号” 任务还将首次挑战 “绕、落、巡” 同时进行的探测方案，难度系数又加一层。
如果 “天问一号” 任务成功，中国将成为世界上首个首次探索火星即完成软着陆的国家，并成为继美国之后第二个完成火星漫游的国家。
-End-

参考：https://www.nature.com/articles/d41586-020-01861-0