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代表地球文明:天問、希望和毅力的火星之旅

BBC News 中文 標誌 BBC News 中文 2020/7/23

中國「天問一號」火星探測器7月23日升空,成功進入飛往火星的軌道,開始7個月的星際航程。

阿聯酋的第一個火星探測器,「希望號」20日先行一步,然後如果不出意外,美國的「毅力號」近日也將出發,沿地球-火星航道去執行NASA第五次火星探測任務。

「希望」 、「天問」和「毅力」是今年火星探索「窗口期」 - 最佳發射時間段 - 計劃中的三次發射任務。對於那顆遙遠的紅色星球來說,這三個星際訪客都代表地球文明。

如果旅途一切順利不出意外,三枚探測器都將於2021年2月抵達目標位置。

美國NASA這次登陸火星時,還凖備嘗試放飛一架無人駕駛直升機。

使命

火星是太陽系中與地球環境最為相似的行星,了解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要價值,也對人類拓展生存空間具有重要意義。

中國的「天問一號」主要任務是地質勘測,用雷達「透視」幾千米深的地層,採集岩石土壤等樣本,繪製火星地質結構圖,探測火星磁場,由此解開火星磁場的演變歷史。

這是中國首次火星探索任務,目標是通過一次發射實現火星環繞、著陸並開展火星表面地理探測,收集數據。

探測器計劃於2021年2月11日 - 24日環繞火星運行兩個月,然後在4月23日將一輛火星漫遊車放到火星表面。

探測考察時間為90個火星日;一個火星日有24小時39分鐘。

天問一號外表象NASA的「精神與機遇」火星漫遊車,重約240公斤,用折疊式太陽能電池板供電。 © Reuters 天問一號外表象NASA的「精神與機遇」火星漫遊車,重約240公斤,用折疊式太陽能電池板供電。

阿聯酋「希望號」火星探測器北京時間7月20日凌晨5點58分從日本種子島航天中心發射升空,使用的是日本的H-IIA運載火箭。

「希望號」經過約200天的飛行,計劃於2021年2月抵達火星軌道,並通過探索成像儀、紅外光譜儀以及紫外光譜儀對火星氣候及天氣進行探測研究。

它類似於火星的氣象衛星,繞火星做近赤道軌道運行,收集星球上不同區域在不同季節和不同時間的全天候氣象數據,還有其他相關數據,幫助地球上的科學家更全面地了解和掌握火星的氣候條件。

這有助於解開一個關於火星的重要謎團:那個紅色的行星曾經和地球一樣遍布江河湖海,怎麼變成現在這種乾枯、荒蕪的狀態,答案可能藏在火星周圍的氣層裏。這方面的研究對地球的環境和未來趨勢有很重要的啟示。

這是阿聯酋的首次火星探測任務,開啟阿聯酋和阿拉伯世界星際探索先河,也標誌著新一輪火星探測週期的開啟。

希望號探測器考察項目之一是火星大氣層的能量流動狀況。(探測器印象圖) © MBRSC 希望號探測器考察項目之一是火星大氣層的能量流動狀況。(探測器印象圖)

「毅力號」火星探測器將執行美國國家航空航天局(NASA)的第五次火星探測任務計劃 。預計將於7月底到8月15日之間從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射,2021年2月18日(美東時間)在火星表面的耶澤洛隕石坑(Jezero crater)著陸。

火星探測器目前主要有三種:繞火星軌道運行,進行遠距離探測,比如希望號氣象衛星;降落到火星表面,進行原地探測和實驗的著陸器;以及能在火星上運動的巡視器(火星車)。

《紐約時報》報道說NASA這次凖備把一架直升飛機運到火星去,希望開啟火星上的航空元年。

中國長征5火箭將天問一號送到飛往火星的航道 © AFP 中國長征5火箭將天問一號送到飛往火星的航道

「火星年火星季」窗口期

2020年是兩年一次的火星年,而7月中旬~8月中旬則是今年的火星季,這數周的時間是絶佳的「火星探測器窗口」。

今年10月14日將出現「火星衝日」的天文現象,屆時火星、地球和太陽所處的軌道位置將形成一條直線,火星和地球的距離也將最近,因此適合高效完成火星探測任務。

考慮到地球與火星的距離以及地球和火星繞太陽公轉的速度,最佳的發射時間是「火星衝日」之前兩個月左右。

「希望號」、「天問一號」和稍後的「毅力號」將共同開啟新一輪火星探索週期。

四分之一個世紀前的「火星季」,1965年7月15日,美國國家航空航天局(NASA,又譯美國宇航局, 美國太空總署)的不載人火星探測器水手4號(Mariner 4)飛越火星,近距離拍攝火星表面圖片傳回地球。這些相片證實當時很多人相信的火星表面有運河的傳說是錯覺。

高難度

為什麼探訪那顆紅色的星球是星際旅行中難度最大的事情之一?

首先,地球與火星之間的距離在不斷改變,兩顆行星各自以不同的速度和距離繞太陽公轉。地球和火星最遠距離大約4億公里,最近的距離是5600萬公里。每隔26個月,也就是不到兩年半,會出現一個飛火星的最佳時間段,所謂「窗口期」。這個時段地球位於最適合飛往火星的位置,火箭燃料消耗最少。 火星之旅的飛行時間約7個月。

2020年被稱為火星年,因為有一個窗口期出現。

如果發射順利,探測器成功抵達目標,而且沒有受到太陽耀斑或其它太空物質的損傷破壞,就要挑戰更棘手的第二道難關:火星著陸。

「火星季」窗口期前後大約11天 © BBC 「火星季」窗口期前後大約11天

要過這一關,探測器必須剎車減速,然後以正確的角度切入火星大氣層,角度太陡會起火燃燒並融化,太小則會反彈。

火星大氣層厚度只有地球大氣層的百分之一。探測器著陸過程中需要降落傘和隔熱罩為登陸艙減速。安全著陸時還會用到安全氣囊和後向火箭(向行駛方向發射的火箭)。

穿越大氣層著陸的過程只有7分鐘左右,也被稱為「恐怖7分鐘」。著陸器何時開始減速進入火星大氣、進入的姿態、角度都需要精凖的控制。對於天問一號來說,一切都是第一次,又因為地球單程無線電信號到達火星需要20分鐘個,無法即時指揮。

毋庸置言,必須降落在凖確著陸地點,這很重要,因為火星表面有懸崖、溝壑、火山口和洞穴,找錯落腳點後果會很嚴重。

「天問一號」將結合使用多種著陸技術和設備。如果一切順利,漫遊車將順著著陸坡道穿越火星平原。

NASA 1976年「維京二號」火星探測器在火星表面的烏托邦平原(Utopia Planitia)著陸 © NASA-JPL NASA 1976年「維京二號」火星探測器在火星表面的烏托邦平原(Utopia Planitia)著陸

「天問一號」的著陸點是火星赤道以北的一處名叫烏托邦衝擊盆地內的平原。火星車將探索該地區地表和地下的地質狀況。

它外表象NASA的「精神與機遇」火星漫遊車,重約240公斤,用折疊式太陽能電池板供電。

它高大的桅桿上裝有照相機,可以拍照並輔助導航,另外還配備了五台地質探測儀器。

漫遊車在火星表面探測時,繞火星軌道運行的飛行器將用一套有七種遙感儀器的系統從空中研究火星。

馬斯克(Elon Musk)在天問一號成功升空後在推特上表示祝賀。

他2002年創辦的SpaceX用獵鷹9號(Falcon 9)和重型獵鷹(Falcon Heavy)火箭提供商業和政府官方的航天發射服務。

他的目標是降低太空運輸的成本,令人類到火星居住成為可能。

英國RAL Space科學家厄爾沙德(Rain Irshad)博士說:「看到中國的成就真是令人興奮。他們的航天局成立於1993年,但不到30年後就向火星發射軌道飛行器、著陸器和流動工作站。」

她認為中國團隊從登月項目中積累了經驗。

探索紅色星球的歷史數據眾所周知:所有冒險活動中大約有一半失敗了,包括中國的「銀河一號」,沒有衝出地球軌道,最後落入太平洋。

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