人類爲何要堅持探測火星
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人類爲何要堅持探測火星,中國在火星探測領域是一個後來者,但起點卻相當高,月球跟地球息息相關,所以我們要探索月球,但火星上又沒有生命,可人類爲什麼還要向火星發射這麼多探測器呢?
人類爲何要堅持探測火星1
中國在火星探測領域是一個後來者,但起點卻相當高
◆ “天問一號”將一次執行“繞落巡”三項任務。而其他國家的第一次火星任務,多隻有環繞,或者連繞帶落,或者連環繞都沒有,只是飛掠,從來沒有一上來就做全套的
◆ “如果說第一次熱潮的主題是探測競賽,比的是誰先跑得最快,那麼第二次熱潮的主題應是科學競賽,比的是誰先看得最深。”
◆ 從科學上講,“天問一號”是對火星形態、地質學、礦物學、空間環境、土壤和水冰分佈等進行研究的最全面的任務
2020年7月23日12時41分,長征五號遙四運載火箭託舉着我國首次火星探測任務“天問一號”探測器,在中國文昌航天發射場點火升空。
“天問一號”將承載我國第一個火星探測任務,着陸在火星表面完成巡視探測,獲取火星科學數據,一次性實現對火星“環繞、着陸、巡視”三大目標。
火星探測器發射成功只是“萬里長征第一步”,“天問一號”還要進入地火轉移軌道,歷經約7個月飛行進入火星軌道範圍。之後,按照預訂計劃,“天問一號”將被火星引力俘獲,在地面測控系統的支持下進入環火橢圓軌道,運行到選定的着陸窗口。
第二步完成後,“天問一號”將減速落入火星大氣層,進入所謂的“死亡7分鐘”時間。由於火星距離地球太遠,信號傳輸一個來回就需要十幾分鍾時間,而整個着陸時間僅僅7分鐘,這意味着着陸過程不能由人工進行干預,而是由“天問一號”上自帶的着陸程序完成。
成功着陸後,火星車將從着陸平臺上走到火星表面,開展探測作業,爲期大約90多天。
爲什麼要去火星
爲什麼要去探測火星?答案可能有點讓人意外:因爲火星比金星條件優越。
太陽系有八大行星,從內到外分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。也就是說,金星、地球、火星排在第2、3、4位。
如果要在八大行星尋找生命,單憑位置,就可以判斷個八九不離十:水星離太陽太近,一切都被烤焦了;木星以及更外圈的離太陽太遠,一切都被凍僵了。最有可能的,就是離太陽距離適中的金星、地球、火星,這三個處於太陽系的“宜居帶”上。
地球位於宜居帶的中間,當然是各方面條件最優的。金星和火星相比如何呢?
看一下基本指標:金星的質量是地球的82%,體積是地球的87%,重力是地球的90%,各方面跟地球十分接近。而火星跟地球的差別很大,其質量是地球的11%,體積是地球的15%,重力是地球的38%。
僅從這些指標看,金星似乎更加適合。因此,人類在上世紀50年代掌握了航天技術後,首先就將金星作爲了探測目標。人類第一個接近其他行星的探測器,是1962年美國的水手2號,它的目標就是金星。
然而,人類探測金星的熱情,很快就消退了。歷史上總共有10個探測器在金星着陸,都來自蘇聯。但其中工作時間最長的只有127分鐘(金星13號),最短的只有23分鐘(金星7號)。爲什麼這麼短命呢?因爲金星的生存條件實在是太惡劣了。
金星有一個極其濃密的大氣,它的壓強高達地球的92倍,相當於一個人揹着一輛50噸重的坦克。更糟糕的是,這麼濃密的大氣中絕大部分是二氧化碳,超過96%。這導致了非常強的溫室效應,金星表面的平均溫度超過460攝氏度,比離太陽最近的水星的向陽面還熱。
作爲對比,火星大氣稀薄,密度不到地球的1%。雖然這聽上去也很糟糕,但跟金星對比,就會明白什麼叫做“如釋重負”。畢竟,氣壓低可以穿航天服,而氣壓太高就只有被壓死了。火星表面的平均溫度是-55攝氏度,而且波動範圍很大,可以上至30攝氏度,下至-100攝氏度以下。對比金星的460攝氏度,也會感覺好多了。
火星最有吸引力的一點,是上面有水。
人們最初用望遠鏡觀察火星的時候,看到很多紋路。不少人把它們理解爲河道,甚至是火星人開掘的運河。雖然截至目前我們沒有在火星上發現任何生命。不過,火星曆史上應該有過活躍的地質運動與河流,但由於太陽風的吹拂以及小行星的撞擊等原因,後來逐漸都消失了。
然而,火星現在還有大量的固態水,也就是冰,這是一個非常重要的發現。此外,火星上還有大量的固態二氧化碳,也就是乾冰。爲了跟乾冰區別,我們往往把固態水稱爲水冰。
在火星的南北極,就有巨大的水冰與乾冰混雜的冰蓋,水冰主要集中在底部。除此之外,在火星的地下很可能還有液態的滷水,即溶解了大量鹽分的水,甚至可能有巨大的液態滷水湖。這讓火星上存在生命的希望大增。
在地球的各種極端環境下,如火山口、深海、熱泉、鹽湖等等,都有不屈不撓的微生物生存着。它們的能量來源可以不是光合作用,而是各種因地制宜的辦法,如硫酸亞鐵氧化還原反應放出的化學能。對於這些“小強”來說,火星的環境遠不算最惡劣的。因此,在火星上發現生命是相當有可能的。
未來一段時間裏,掘地三尺尋找生命,就是火星探測的一個重點目標。如果真的.找到了,那麼這將是人類第一次發現地外生命,帶來的衝擊是巨大的。
7月20日,阿聯酋首個火星探測器發射。在搭載“希望”號火星探測器的H2A運載火箭發射升空後,阿聯酋民衆在迪拜的穆罕 默德·本·拉希德航天中心歡呼慶祝。 新華社/路透
如何去火星
從地球怎麼才能到火星呢?
首先來看距離。地球和火星都在圍繞太陽公轉,地球跑第三道,火星跑第四道。兩個軌道都是接近於圓的橢圓。地球軌道跟圓相當接近,半徑約爲1.5億公里。火星軌道稍微扁一點,近日點和遠日點分別約爲2.07和2.49億公里。
由此可見,地火距離最近是當太陽、地球、火星三者排成一線的時候,這叫做“火星衝日”,距離最小值在0.6億公里左右。地火距離最遠是當地球和火星分居太陽兩邊排成一線的時候,最大值在4億公里左右。
火星衝日是一個週期性的現象,大約每780天發生一次。爲什麼呢?從地球和火星的公轉週期就能算出這個數值。
地球的一年大約是365天,而火星的一年大約是687天。經過780天后,地球走過了780/365=2.14圈,火星走過了780/687=1.14圈。地球比火星剛好多走了一圈。所以如果出發時日地火連成一線,那麼到這裏它們又會連成一線。
由此決定了,每過780天即大約26個月,就會出現一個火星探測的窗口期。在2020年的窗口期中,終於出現了中國的火星探測項目:天問一號。
下一個問題是:應該怎麼去?直接飛向火星嗎?
要受到引力的作用,不可能走直線。在太陽系裏,最大的引力源就是太陽。除了在每個行星附近之外,在絕大部分空間起主導作用的都是太陽的引力。因此,飛船從地球到火星的旅程,絕大部分是在太陽控制下的。如果我們在途中不開動力,那麼根據開普勒第一定律,飛船的軌跡就是一個以太陽爲焦點的橢圓。
基於這些考慮,答案就呼之欲出了。我們走的是這樣一條軌道:它在離開地球的時候與地球繞太陽的軌道外切,這是近日點;在接近火星的時候與火星繞太陽的軌道內切,這是遠日點。在中間路程,它是一個以太陽爲焦點的橢圓的一部分。整個行程中,發動機只需要點火兩次,就是在起點和終點。這樣耗費的燃料最少,而且操作最爲穩妥高效。
這樣的軌道,叫做“霍曼轉移軌道”。它是在1925年,由德國物理學家沃爾特·霍曼提出的。一條霍曼轉移軌道的路程長達6億公里左右,約爲地火最近直線距離的十倍,需要飛行大約260天即約9個月。
如果願意消耗更多的燃料,投入更大的成本,當然可以抄近路。這叫做“快速轉移軌道”。例如,美國2018年發射的“洞察”號依靠強大的火箭和最好的時間窗口,只走了4.8億公里,只用7個月就到達了火星。
不過,化學火箭的能力已接近上限。因此,再怎麼投入也很難讓從地球到火星的時間少於6個月。但是新的推進技術正在發展中,例如離子電推進和核能推進。如果這些技術成熟,地球到火星的行程有望大大縮短。
人類爲何要堅持探測火星2
火星上究竟有沒有生命?人類已經用50多年的探測得出了這個問題的答案,那就是沒有。和月球不同,月球跟地球息息相關,且月球上還有許多珍貴的資源,所以我們要探索月球,甚至登陸月球在上面打造永久基地。可火星上又沒有生命,人類爲什麼還要向火星發射這麼多探測器呢?
人類第一個登陸火星表面的探測器,是上世紀70年代NASA發射的“海盜”號,彼時火星人的存在是人類討論的熱門話題,許多人相信火星上存在着智慧生命。但“海盜”號發回來的照片,卻讓人類大跌眼鏡,看起來火星就像是地球的沙漠一樣,雖然沒有金星表面那麼高的溫度,但這的確是一顆紅色的沙漠星球,氣溫差異非常大。
看上去火星根本不具備生命存在的條件。後來,人類發現了在許多原本認爲不可能存在生命的地方,都發現了生命的存在,而在火星上的一些地形也顯示,火星曾經似乎存在着河流和湖泊,跟原始地球差不多。如果當時火星上誕生了原始生命,那它們有可能還在火星的地底深處頑強生存也不一定!
或許是因爲這樣的原因,人類還在不斷髮射火星探測器,一方面瞭解火星的情況,爲人類將來殖民火星做準備,另一方面人類依然懷揣着在火星發現原始生命的希望。人類文明如果想要進一步發展,肯定要離開地球的桎梏,而火星就註定會是人類的第一站。
月球只是地球的衛星,只有火星才能滿足人類建立城市的夢想。不知道第一個殖民火星的,會是哪個國家呢?大家怎麼看?
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