中国火星探测器公布2020发射,中美俄欧三台火星车新一轮太空竞赛

中国火星探测器公布2020发射,中美俄欧三台火星车新一轮太空竞赛

10月11日中航科技公布的中国火星探测器。来源:中国航天科技集团有限公司官方微博

2020年是一个火星年,全球瞩目。届时中国、美国、欧洲和俄罗斯都将利用这个窗口时间向火星发射探测器, 中美俄欧四方三台火星车将齐聚火星,展开新一轮的火星探测竞赛,中国也将第一次参与这场激动人心的竞赛。

10月11日,中国航天科技集团有限公司通过官方微博首次公开中国火星探测器照片。图片显示,探测器由环绕器、着陆器等多个部分组成,与此前公布的模型基本相似。工作人员正在对火星探测器进行着安装测试等工作。而近日,中国科学院院士、中国空间技术研究院空间科学与深空探测首席科学家叶培建近日接受媒体采访时表示,目前火星探测任务正在有序进行,各项工作都在向前推进。将于2020年发射。这也表示中国正式加入这场火星探测竞赛。

至此中国、美国、欧洲和俄罗斯都公布了2020年火星年的火星探测计划,我们从公开资料中收集了相关信息,并制作了下表,全面的比较了三个火星探测器。如下图:

根据公开资料整理的中、美、欧俄三个火星探测器的比较

中国的"火星一号"探测器

中国的火星一号探测器包括轨道器(中继卫星)和火星车两部分,将于2020年由长征五号运载火箭发射升空, 2021年2月11日(除夕)前后进入火星轨道。经过两个月的遥感探测、选择着陆点和轨道调整后,着陆舱与4月23日搭载着火星车与轨道器分离开始着陆,经过"恐怖7分钟" (7 Minutes of Terror)着陆火星表面。火星车预计4月30日驶离着陆舱开始科学探测任务,5月14日左右第一批科学数据就会下传。

中国计划在一次火星任务中完成"绕"、"落"、"巡"三大任务,在航天史上史无前例。叶培建院士在接受采访时表示:第一我们要能够对整个火星进行全球观测;第二要降落在火星;第三火星车要开出来,在火星上巡视勘测。这当中有很多难点,如果做成,这将是全世界第一次在一次任务当中完成三个目标。这个工程实现是个很大的创新。

中国火星探测器模拟图,来源:央视

环绕火星运行的轨道器上将搭载高、中分辨率相机、光谱仪、磁力计、表面雷达、离子和中性粒子探测仪等科学载荷;巡视器上将搭载探地雷达、光谱相机、小型气象站、磁场探测仪等载荷。主要任务是进行火星地貌、土壤探测、大气环境、生物探测等,帮助我们建立起对火星全面而基础的认识。

中国火星探测任务模拟动画,来源:央视

美国的2020火星漫游车计划

"火星2020"火星车的设计将源自于"好奇号",不过会搭载不同的科学载荷,相当于好奇号的升级版。火星漫游车的任务将是寻找微生物或古代火星生命的痕迹,并收集和储存样本,这些样本可以在未来的火星任务中带回地球。

火星2020 漫游车和携带的火星直升机,来源NASA

它携带的X射线光化学荧光光谱仪,可以更加精细地测定土壤和岩石的元素构成。地下雷达成像仪则直接可以探测地下十米以内的水冰和盐水含量和有机物的含量。火星2020探测器将搭载23个高质量成像摄像头。其中最为强大的是在桅杆上的摄像头系统(MASTCAM-Z),其主要任务是通过强大的变焦镜头拍摄火星表面的高清晰度视频、全景三维图像,还能够放大遥远的目标进行详细观察。根据距离的不同,图像分辨率可在每像素150微米到7.4毫米之间进行放大。主要目的是通过高清观测能力放大岩石,找出一些可能保留生物留存遗迹的岩石。

2020火星车装配工作,由位于加利福尼亚州帕萨迪纳的美国航空航天局喷气推进实验室负责安装的测试。 "火星2020"火星车的降落舱将采用火箭技术的"天空起重机", 降落舱使"火星2020"火星车能安全地降落到火星表面。目前已经完成大部分装配工作。

2020火星车空中起重机降落,来源NASA

探测器将携带人类首个火星制氧设备MOXIE(Mars OXygen In situ resource utilization Experiment,火星氧气原位利用实验)。这套极其复杂的装置将由MIT与哥本哈根大学研究所合作。可以通过非常复杂的反应过程产出纯净的氧气。如果测试成功,用以这种方式生产氧气以供未来登陆火星的宇航员呼吸,也可以作为相关火箭燃料的氧化剂。

此次火星的另一个亮点就是配备了首架火星直升机,这架直升机根据火星低密度的大气进行特殊的旋翼设计,为了提供足够的升力,外形采用双旋翼共轴串列布局,长度1.2米,每分钟转速达到惊人的2800转。NASA计划使用火星直升机增加从空中观测地面的视角,辅助火星车拍摄更大范围的震撼图像,并能为火星车提供更精确的导航、定位,还能"侦察"前方地形,甚至可以携带科研仪器,扩大火星车探测范围。不过这架直升机不会飞行太远,每次起飞需要NASA对火星车附近天气环境进行判断。

NASA从60多个获选地点,经常5年的研究和论证最终决定选出的。

NASA从60多个获选地点,经常5年的研究和论证最终决定选出的。这个陨石坑宽度为45千米,曾经是河流三角洲,有黏土和碳酸盐岩等,可能还有水流曾经带来的各种矿物质,因此有望在这里收集到有机分子,发现微生物存在的迹象。

欧洲和俄罗斯合作的ExoMars 2020计划

这个计划是由欧洲航天局(ESA)和俄罗斯航天局合作的火星探测计划。包括 一个登陆平台和罗莎琳德·富兰克林火星车。ExoMars 2020的计划于2020年7月25日至8月13日期间通过俄罗斯质子号M火箭发射升空。

欧空局Exomars 2020漫游者的印象概念图,预计将在2o21年春天登陆火星表面。来源:ESA

ExoMars的火星车的任务将是在表面寻找生命迹象、并建立精确的火星地表和浅层地表的视觉和光谱特征。它将使用钻头收集样本,并用新一代仪器进行全面分析。ExoMars将是第一个结合火星表面移动探测和深度研究能力的任务。研究浅地下深度的水源、矿物 以及火星大气中的微量气体(甲烷)及其来源。

ExoMARS 2020 降落示意图,来源ESA

ExoMars2020火星车拥有强大仪器组合以支撑这些任务。主要包括:红外光谱探测仪ISEM,全景相机PanCam、高分辨率相机HRC、广角相机WAC、多光谱地下研究成像仪(主要目标是研究火星的地下环境)、中子辐射自主探测器(辐射背景的中子成分监测)、高分辨率彩色相机(精细拍摄岩石和松散物质的图像)、火星有机分子分析仪(分析火星表面和地下沉积物中挥发性和难降解的有机化合物)、近红外高光谱显微镜(从颗粒尺度上识别火星样品的矿物和分子组成)、拉曼激光光谱仪(非弹性的散射辐,矿物和生物标志物鉴定)、水冰地下沉积观测雷达(探测浅层地下结构,绘制地下层图)

为什么要探测火星

伟大的航天先驱齐奥尔科夫斯基曾经说过:"地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中"。开始他们将小心翼翼地穿出大气层,然后去征服太阳系。". 他是现代航天事业的创造人,航天理论的奠基者。人类要扩展生存空间,探索未知的宇宙,火星将是人类的第一站。

·火星和金星是离地球最近的行星,金星由于较靠近太阳,温室效应引起的超高温(平均地表温度接近500度)、超高气压导(93倍地球大气压)致环境十分恶劣,存在生命的可能性极低。而火星也位于太阳宜居带的外沿,火星拥有与地球类似的自转速度、倾角,并且拥有较为稀薄的大气层,火星全年平均气温零下55℃-60℃之间,赤道附近高温可以超过 30 °C。因此成为了各国行星探测的首选目标。·火星数十亿年前曾经拥有和地球非常相似的环境,拥有大量地表流水(河流、湖泊甚至可能还有海洋)、浓厚的 大气层。探索使火星的地质和气候变化的原因和过程, 对保护地球的气候条件具有重大意义。也对我们了解地球形成、演变过程和未来有重要意义。·火星曾经的环境可以支持生命的生存。因此研究火星地质和气候变化原因和过程, 对研究生命起源等有重大的意义。·火星是太阳系内,除地球外最适宜人类居住和外星殖民的的行星。火星的南北两极存在大量的水冰和干冰混合,大气中的二氧化碳等,人类可以利用这些资源和太阳能对火星进行改造,火星将来可能成为人类的地球之外的新家园,成为人类扩展生存空间,走向宇宙深空的第一步。关于火星

火星是是太阳系八大行星之一,离太阳第四近的行星,也是太阳系中四颗类地行星之一。古代中国因为它荧荧如火,位置、亮度时常变动让人无法捉摸而称之为"荧惑";西方称火星为玛尔斯(Mars),是罗马神话中的战神。

火星的直径约为6794 km,约为地球的53%,质量为地球的14%。火星拥有以地球相似的自转轴倾角(24度),自转周期24.6小时,因此火星上也有类似地球的春夏秋冬四季的气候变化。公转周斯约为687地球日。

火星全景图,两极皆有水冰与干冰组成的极冠,并会随着季节消长。来源NASA

地球、火星、月球的大小对比

火星在视觉上呈现为橘红色是由其地表所广泛分布的氧化铁造成的。火星地表沙丘、砾石遍布且没有稳定的液态水。

火星拥有稀薄的大气,95%的二氧化碳,3%的氮气,1.6%氩气,很少的氧气、水汽等,地表气压只有6百帕,约为地球表面气压的0.6%,相当于地球表面算起35公里高的气压。沙尘悬浮其中,每年常有尘暴发生。因为火星火星稀薄且有尘土颗粒,吸收蓝光使天空成黄褐色。但是在日出日落入射角小时,短波段的蓝色光子更易散射,因此日出和日落时反而呈现美丽的蓝色。

地球是蓝色的星球,日出为红色,火星是红色星球,但是日出却是蓝色的,来源NASA

1972年, "水手9号"探测器拍摄了7000多张火星照片,这些照片显示了火星表面70%区域中的峡谷、火山和干涸的河床。

火星的地形的另一个地形特征是南北半球的明显差别:火星南半球是古老、充满陨石坑的高地,北半球则是较年轻的平原。火星表面70%区域中的峡谷、火山和干涸的河床。

火星两极皆有水冰与干冰组成的极冠,并会随着季节消长。火星有两个不规则天然卫星:火卫一和火卫二。

火星上的水、甲烷等发现过程

目前科学家根据火星探测的数据,认为火星地表遍布着流水的遗迹,有些是洪水刻画而成,有些则是降雨或地下水流动而形成,但多半年代久远,可能发生在数十亿年前。

2008年7月31日,美国航空航天局科学家宣布,凤凰号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生,从而最终确认火星上有水存在。

2012 年 8 月,火星探测车好奇号(Curiosity),首度从火星一块拥有 30 亿年历史的沉积岩中发现有机分子,包括噻吩(thiophene)、甲硫醇(methanethiol)、二甲基硫醚(dimethylsulfide)、2-and 3-methylthiophenes 等,表明该星球数十亿年前的环境条件有能力滋养生命。

2013年9月26日,美国航空航天局科学家报告,火星探测器好奇号发现火星土壤含有丰富水分,大约为1.5-3%的重量。

2014年,好奇号火星车发现了甲烷气泡。NASA的科学家称,这一发现可能预示着 "古代甲烷被封存的证。

2015年, NASA科学家发现火星表面在夏季出现了盐水流动的痕迹。

2018年7月,欧洲航天局(ESA)的研究员在火星上发现了第一个液态地下水湖。

2019年6月,NASA宣布,从好奇”号等探测器,在火星大气中连续15年的甲烷观测数据显示,甲烷存在的证据在不断累积,火星大气中甲烷的背景水平平均为十亿分之一,且存在较大水平的波动。

2019年10月, "好奇"号火星车发现火星曾存在盐水湖。

火星车拍照的火星地表地形,表明火星在几十亿年前曾经充满液态流水,来源NASA

参考资料:

NASA官方网站

ESA官方网站

央视相关新闻报道

中国航天科技官方微博

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