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“天问一号”来了!解读中国火星探测计划

时间: 2020年04月26日 | 作者: Admin | 来源: 格致论道讲坛
4月24日,国家航天局在2020年中国航天日线上启动仪式上公布:首次火星探测任务被命名为“天问一号”,后续行星任务依次编号。


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  4月24日,国家航天局在2020年中国航天日线上启动仪式上公布:首次火星探测任务被命名为“天问一号”,后续行星任务依次编号。我国的火星探测分哪几步走?火星探测器指的是什么?具体将在什么时候发送火星探测器?权威专家将为您一一解读。


  中国有怎样的火星探测计划?


  吴宝俊:周星驰有一部著名的电影叫《少林足球》,里面有一句经典台词“地球太危险,你回到火星去吧”,我们今天就要聊一聊怎么回到火星。


  前一段时间媒体曝出了中国的火星探测任务,咱们的火星探测器什么时候发射?


  贾阳:2020年的夏天如果一切顺利的话我们的火星探测器就奔火星去了。整个时间比较长,因为火星比较远,要飞到的话需要七八个月的时间,然后还要开展大概一年以上的探测。


  吴宝俊:火星车大概有多大?


  贾阳:从车体来说差不多两个桌子这么大。


  吴宝俊:火星车和探测器是同一个东西吗?


  贾阳:探测器是一个大名称,火星车是其中的一类在火星上走的探测器。探测器在火星的轨道上绕着火星飞,这叫环绕器,也是探测器之一,就跟地球的卫星看地面道理是一样的。


  还有一种在到火星表面的时候进入,叫做进入器或者进入舱。然后把这个火星车从进入舱里面放出来,在火星上开始走,叫巡视,这个时候火星车就变成一个自己独立的巡视器。探测器是一个总的称呼。


  吴宝俊:贾老师,咱们国家的火星探测计划分几步走?


  贾阳:宏观来说是这样的,探测月球的时候咱们国家的计划是分成三步走的。第一步是绕着月亮飞,第二步是落到月亮表面上去,第三步是把月球的样品取回来。就是所谓的“绕、落、回”三个阶段。


  但是火星探测的第一步想把前两步合并,就是既实现绕着火星环绕,又实现到火星的表面上去开展探测,但是做不到把火星的样品取回来。


  吴宝俊:是不是因为吸取了很多我们探月时候的技术上的经验,所以就可以合二为一了?


  贾阳:有技术进步的原因,也有一个原因就是去火星的这个窗口太宝贵,一般二十几个月才有一次去的机会,如果要是按部就班一次次走的话战线就会拉得更长一些。现在是希望把我们的(降)落火(星)然后巡视这个愿望早日实现。


  探索火星的初心是什么?


  吴宝俊:有一句话说的好,叫做不忘初心,牢记使命。探索火星的初心,就是原始的动机是什么?火星有什么不一样的地方,或者说火星有什么特别的点呢?


  苟利军:可以从天文学观测的角度去追溯一下。首先,火星是我们能够看到的可以移动的五颗行星之一。在金、木、水、火、土这五颗行星当中,金星跟火星其实跟地球相对比较近的,但是金星周围包含着一层厚厚的大气,我们是看不清它的表面的。


  尽管现在我们知道金星其实跟地球更为接近,它的大小跟地球更为接近,而火星的直径其实差不多是地球直径的一半,所以它要小非常多,但是火星的大气要薄很多,所以我们可以直接看到它表面的各种状况。


  19世纪的时候,已经有一米多口径大小的望远镜了,它就可以直接看到火星表面的特征,发现有好多沟渠一样的东西。当时人们就非常地兴奋,以为这是当时火星文明挖出来的一些类似运河的东西。


  我们现在知道有可能火星另外还具有一些其他的跟地球很接近的特性。所以如果我们能够站在火星之上,就能感受到火星四季的变化。但是在其他的行星比如金星上就没有这种变化。


  另外火星处于太阳系之内的宜居区的最外边缘。宜居区是在过去二十多年地外生命探测的过程中提出来的,也就是说在这个范围之内有可能会有生命的存在。


  对于火星而言,它正好处于太阳系内宜居区的外边缘,那就说明火星上可能会有液态水或者甚至生命的存在。


  太空探索的边界受到什么因素影响?


  吴宝俊:人类的太空探索边界的很大程度上取决于火箭运载能力,咱们国家的火箭运载能力最强的是长征五号。长征五号能把探测器最远送到太阳系的哪里呢?


  贾阳:火箭确实是航天技术往前走的一个基础平台,它提供的能力越大,整个航天的舞台就越大,这是毋庸置疑的。咱们国家现在“胖五”相当于是在成熟之中,再飞之后应该就要执行很多任务,包括火星的,也包括月球的。刚才提的两个例子如果没有“胖五”的支持实际上是实施不了的。


  如果直面刚才那个问题,说到底能不能飞到太阳系的最边缘,这和多长时间到达,发射的东西到底有多大的重量有关系。


  稍稍量化一点,如果是发到月球的一个探测器,发到奔月的轨道上的话,应该就是八吨左右的重量;如果要是发到火星的轨道,那基本上是四吨;如果想要更快到达探测器的边界,这个探测器就得设计的更小一些。


  苟利军:我想补充一点,想把一个探测器或者类似的东西送到太阳系边缘,其实不仅仅与火箭有关,与多种因素都有关系。


  比如说最近炒得非常热的“旅行者2号”,它在2018年12月份的时候,根据NASA的定义说是飞出了太阳系。“旅行者1号”是在2012年的时候飞出了所谓的太阳系。


  这里的太阳系,其实不是真正意义上的太阳系。它定义的太阳系是太阳的日球层。也就说它飞出了太阳风和星际介质相互作用的一个界面。


  要飞出太阳系不是火箭可以直接完成的。美国的火箭就非常厉害,可以直接把探测器送到那边,当然火箭送到只是第一步,让它离开地球附近,在接下来在过程中,它要经过不同的天体,比如说木星、土星,通过这些行星的引力弹弓,这种引力的加速之后才最终飞出太阳系。


  吴宝俊:《流浪地球》这部电影当中就提到了引力弹弓。


  苟利军:是的。所以我们为什么要选择这些大的,比较重的天体呢?就是因为它质量比较大,所以一个小的天体从它那里拿一点点角动量,对它没有太大的影响。


  什么是引力弹弓效应? 


  吴宝俊:苟老师能不能通俗地解释一下引力弹弓效应。


  苟利军:比如在生活中,我抛一个乒乓球下去,如果这个桌子不动的话,弹回来的速度不会发生变化,就是说这个球垂直掉下去垂直弹上来的时候,向前的速度是零。


  但是如果这个桌子动了,它就会获得一个跟桌子一样的速度,也就是说除了下落的速度还有一个水平方向的速度。总体而言它的速度就会变大,这就相当于获得了这个桌子一部分的能量或者角动量,这就是引力弹弓的一个类比。探测器相当于从这个大的天体当中获得了一部分角动量,从而被加速。


  在《流浪地球》电影当中地球想借助于木星,想从木星周围获取一点能量从而使自身加速。结果没想到进入的时机以及进入的角度不对,差点把自己粉碎掉。


  吴宝俊:那《流浪地球》当中它为什么不选火星呢?


  苟利军:火星太小了,首先火星比我们地球还要小,你到火星之后,结果是谁加速谁还不一定。选择木星是有可能的,选择土星也是有可能的,但是木星距离地球更近一点。所以“旅行者1号”首先是选择木星再选择土星,经过一连串的加速之后最终离开太阳系。


  吴宝俊:所以《流浪地球》就是想脱离太阳系,想往远了跑,所以它第一步选的木星,第二步就直奔土星去了。


  苟利军:这就涉及到更为复杂的一些物理道理。比如说,我们要想离开一个天体或者离开一个系统的时候,必须要满足一定的速度。对于地球来说,必须要满足11.2公里/秒的速度才能脱离整个地球的引力。所以想离开太阳系的话肯定也要满足一定的速度才行。


  吴宝俊:就是所谓的第一宇宙速度,第二宇宙速度,第三宇宙速度。


  苟利军:是的,直接利用火箭的推力加速,我们是达不到这种高速的,而这种引力弹弓是自然界给我们提供的一个最为有效的方法。如果我们的能源是无限大的话,那最直接粗暴的方法就是直接加速。


  吴宝俊:正因为我们的能量是有限的,为了节省能量,所以我们要通过这种引力弹弓,一漾一漾一点一点甩出去。


  火星上有没有生命?


  吴宝俊:坊间传言都说找外星人奔火星去找,还有一本书说《男人来自火星,女人来自金星》,所以大家都对火星上有没有生命充满了好奇,可能这是科学家们想要发一个探测器上去看一看的原因之一。


  另外一个原因就是我们地球上现在有将近七十亿人口了,有人就说地球上有温室效应,环境恶化不太适合人们居住,有人提出我们干脆移民火星吧。二位对这种像找外星人或者移民火星的想法怎么看?


  苟利军:对于找外星人,美国或者欧洲已经发射了非常多这种探测器了。的确,在火星上发现了液态水,这有确凿的证据,是由美国的一个叫MRO(Mars Reconnaissance Orbiter 火星勘测轨道飞行器)的卫星发现的。但是火星表面温度非常低,平均温度差不多是零下二三十度,按照我们的直觉不太可能有真正的纯净水的液态水。


  MRO这个卫星发现的是其实是一种叫化学溶液,就是卤水。纯净水里面加入一些所谓的化学试剂后,含有盐,就使得它的冰点比正常要低很多。


  另外一个问题就是到底有没有生命呢?好多的火星车其实都是奔着那个目的去的,它们发现火星上跟地球的确有非常多的相似性。比如说被水冲刷的这种岩石圆圆的,并且非常光滑,这一点无疑就表明了它以前被水冲刷过。


  所以现在科学界内大体有一个认识,也就是说在三四十亿年前,火星之上应该是充满着大量的液态水的,但是后来因为大气的蒸发,慢慢的没有足够的压力来维持这种液态水,以及温度的变化,就导致整个表面的水蒸发掉了。


  这就涉及到另外一个问题,大气是怎么蒸发的。总之现在已经在慢慢解开这方面的谜团,通过研究火星我们有可能可以预见到地球几十亿年以后的命运。


  移民火星是个靠谱的计划吗?


  吴宝俊:苟老师,现在各个国家有好多组织启动移民火星的计划,您认为有哪些是靠谱的哪些是不靠谱的?


  苟利军:依照我的看法,现在没有一个比较靠谱的。


  贾阳:没有国家只有组织吧?


  苟利军:对只有组织。比如之前听说过有一个组织叫Mars One (火星1号)。当时在全球发起了一个海选,说要选七个人,但是只保证送你去不保证你能回来。最近我刚刚听到消息,这个组织破产了。


  吴宝俊:这几个人是送出去之后破产了还是选完了之后还没送就破产了?


  苟利军:选完了以后还没有正式开始实施就破产了。所以我觉得现在有一些组织就利用火星热潮炒概念,然后骗取一些钱财。


  埃隆·马斯克说希望自己有一天能移民火星并且能够在火星上退休,贾老师如何评价他的看法呢?


  贾阳:这个作为人类的畅想我觉得是值得赞美的,奔月的梦想我们今天实现了,所以有梦想是好事,但是列出具体的时间表,比如说要卖票了或者是在退休之前能实现,我觉得这都属于炒作的行为。


  送人上火星难度有多大?


  吴宝俊:有没有可能我们下一步直接送人上火星?这个在技术难度上比送人上月球大还是小?


  贾阳:大得多得多。到月球去然后再回来,整个计划的任务时间通常也就在十几天左右。如果说载人到火星,按现在的技术能力,先要九个月左右的时间飞过去,还得在那儿等,因为回家的窗口不是天天开着的,等上一个接近年的单位,然后再以一年的时间回来,整个任务周期需要三年多以上的时间。


  吴宝俊:您说的那个窗口是指一个合适的距离合适的时间吧?


  贾阳:实际上现在去火星,由于我们的能力或者说人类的能力有限,是要利用天体之间的运行规律,给我们打开有限的一段时间。


  比如说这几天你可以发射,如果过几天你再发射就到不了了。从地球到火星去,需要的能量比较少的机会两年多才有一次。基于这样的一个原因,刚才说的任务就不是短时间能完成的,是以年为单位的。


  生活在火星上有什么困难?


  吴宝俊:活在火星的表面会有哪些困难?


  贾阳:我觉得这算是一个畅想型的回答,是遥远的而且没有时间表的一个事情。首先人到火星之后很大程度上要用本地的资源,不能什么东西都是从地球上带过去,这是承受不了的。


  首先要防辐射,它的大气比较稀薄,不像地球大气对人保护得这么好。一种有效的手段就是建一个地下的或者半地下的城堡,这个城堡的建设畅想起来类似于3D打印那样的方式。


  假设用火星当地的土壤和矿物,在高温熔融的状态下建一个气密性的城堡,上面可以是透明的,能够进阳光,能把能量吸进来,那么相对来说在一定的土壤深度下温度就变成恒定的状态了,这对人类生活也有好处。


  长时间生活的话有一个问题是人的肌肉的退化。因为重力不一样。但也不一定非得锻炼,因为在不锻炼的情况下,长时间地繁衍下去,可能人类的一个亚种就诞生了,就不太适合生活在地球,就适合生活在火星了。


  吴宝俊:火星表面的引力比地球小不少。


  贾阳:火星引力可能是地球引力的四成。


  苟利军:刚刚贾老师提到了可以通过3D打印的方式,利用当地的资源去建造房屋。前一段时间NASA就发起了类似的竞赛,比如说如何利用当地的资源来建造设计一种非常合适的东西,比如说,可以防辐射的、恒温的东西。


  吴宝俊:是一个建筑学的设计比赛。


  贾阳:打印一个扳手,一个建筑,一块砖,模型之类的。


  运载火箭用哪种能源最好?


  吴宝俊:回到火箭运载技术这个问题。我们的运载火箭技术和SpaceX的猎鹰火箭技术是不一样的。咱们国家用的是液氧煤油技术,而他们用的是液氧甲烷技术,这两个技术之间有什么区别呢?


  贾阳:差别还是比较大的。从推进剂使用的时间长短或者传统性上,两种推进剂其实都有比较悠久的历史了,但是总的来说煤油相对更成熟一点。煤油里大概有十几个碳组成的串形成的一种混合物,甲烷是个纯净物,就是 CH4。


  如果用甲烷的话,这个推进剂要在更低的温度下才能保持液化的状态。用煤油的话相对来说保存起来就更容易,这是煤油好的地方。


  但是为什么在重复使用的火箭里面选择甲烷呢?这就跟汽车积碳的道理有点相似,如果火箭想走可重复利用的道路,就不希望在发动机里产生积碳。甲烷相对来说碳的数量比较少,更不容易在发动机里积碳,可以多次重复使用。


  美国在研发火星用的核反应堆?有什么用?


  吴宝俊:网上说美国正在研发火星用的核反应堆,这个核反应堆有什么用?


  贾阳:确实这个技术是有用的,但不一定用在火星上,有很多用这个技术的地方。随着探测器和太阳之间的距离越来越远,太阳的光就越来越弱,那么靠太阳能电池发电供探测器使用的方式到了比较远的地方就不太可行了。


  吴宝俊:就是用来给探测器提供能量的。


  贾阳:对,但是探测器工作总是需要电的,这个电在地球轨道或者月球或者火星可以靠太阳能发电的方式解决,但是到更远的地方去,比如说冥王星探测,那个时候阳光就已经很弱了,再靠这个方式就不灵了,所以就需要用核的方式。


  但是在核里面又分各种各样的方式,比如说聚变的方式,相当于氢弹那样的道理,或者是裂变的方式,类似原子弹的道理。我们现在可能先利用比较温和的衰变方式,慢慢放出一部分热量,然后把它用来发电,美国的火星车就用过相关的技术。


  如果特别强调反应堆的话,我觉得最主要的功能就是发电给探测器提供电能,这是一个比较切实的想法。


  苟利军:我挺赞同贾老师说的,以后如果登上火星怎么取得能源,有可能反应堆是一个非常成熟的,我们在地球上已经做过非常多测试的一种方式。


  我还想到了另外一点,比如说在很久以前就有科学家设想怎么通过一种聚变的方式,让火星的大气快速达到一定的浓度。因为我们知道它的温度相对比较低,在南北两极有大量的干冰,所以就有人提出,通过轰炸的方式让这些气体挥发起来,使得气体的浓度增大,大气压力就能增加,但是不太可靠,所以仅仅是一种设想而已并没有真正去实现它。


  火星采矿应该怎么实现?


  吴宝俊:火星的第一步成功以后,第二步计划可能是巡航后返回,返回的时候是不是有可能把采样带回来一些,具体怎么采,采什么东西呢?


  贾阳:目前没有列入到计划里,但是把火星表面的样品采回来确实是火星探测“皇冠上的明珠”,至少大家都盼着这件事能实现。


  到了火星表面上有两种采法,一种是傻采型。落地之后旁边有什么就把它抓起来。还有一种高级一点的,就是在旁边钻一定的深度,钻到地下比如1米、2米深的岩石,这是一种方式。


  还有一种就是带辆车,这辆车开出去可以在科学家感兴趣的地方采岩石的样品,然后再把它带回来,送到地球上。应该说形式还是很多样的。


  苟利军:应该是2020年,好多国家都有类似的发射火星探测器采矿回来的计划,美国也有一个这种探测计划。他们之前已经成功了非常多次,所以这次就想采矿然后再带回来,这是他们其中的一个目标。


  此外,之前也有好多设备可以用来采矿,比如说好奇号、机遇号,另外还有InSight(洞察号)—— 前一段时间制造的相当于地震仪的那个东西,它们都是通过打矿的方式,让钻头钻下去然后再把样本取出来。火星车内部就有一个小型的化学实验室,样本钻出来以后放到里面进行光谱分析得到它的组成成分等等。


  同一个世界,同一个梦想——各国都有火星梦


  吴宝俊:1988年日本探测火星失败了;欧洲两次轨道系成功了但是着陆系失败了;美国失败的次数非常多,极地着陆者在距离火星表面40米的时候坠毁了;俄罗斯苏联的探测器水平从指标来看是大幅领先美国的,但是基本上20多个火星探测器全部都失败了;印度2013年发射的火星探测器成功了,成为第一个成功的亚洲国家。为什么探测火星的失败率这么高,它的难点到底在哪里?


  贾阳:其实要把刚才那段长长的历史分成两个部分。一个就是早期冷战的时候,苏美争夺谁第一个到火星的阶段,也就是大概50年前的那个阶段,那时候可靠性确实比较差,成功率确实不高。


  第二个阶段是最近的十几年,包括刚才说的印度实现了亚洲首次环(绕)火(星)飞行等等,这是属于第二个阶段的事情。这个时候就已经不再是盲目的打一个试一试的阶段了,是追求可靠性的阶段。


  总的来说,火星对俄罗斯人来说算是一个坟墓,若干次都没有成功,没有特别完美的案例。但是我们也要吸取人家的经验和教训,站在所谓巨人肩膀上我们才能走得更远。对于马上要实施的这次任务,我们还是要谨小慎微,尽量多考量。


  主要就有一个技术难点,就是因为远,远了之后在那边出现了什么事情不像在地球附近那样我们能够及时处理,需要探测器自主决策遇到这些问题之后该怎么办。


  吴宝俊:这中间有没有可能用到人工智能的技术?


  贾阳:我们现在还没敢把词用到那么高,自主是肯定需要的,所有的事情都需要探测器自己决定,遇到故障、异常走哪一个分支,这些事情都要靠探测器自己应对。智能是我们努力的方向。


  吴宝俊:有很多网友对印度的一发成功还挺惊讶的,这是不是意味着咱们的航天探索能力落后于印度了?


  贾阳:首先得祝贺人家,确实是亚洲第一个实现火星的环绕的国家。但是我们这一次去,方案设计或者整个规划就没想要再走这条路了。


  吴宝俊:因为印度已经实现环绕了,所以咱们就可以跳过这一步。


  贾阳:我们不太想简单环绕一下了,而是想把难度提高,把一阶段和二阶段两步并作一步走,既实现环绕又要进到大气里面去,落在火星表面然后把我们的车开出来,难度系数是不同的。


  苟利军:在下落的过程当,到时候会不会在空中有好几个小的环绕器跟地面上进行沟通,相当于一个中继器呢?


  贾阳:等到我们的火星车工作的时候,肯定是需要中继星把探测的数据、图片传到地面上来,但是(降)落火(星)的时候只有一个环绕器。虽然旁边有美国的环绕器,但是我们至少目前还没有要依赖美国的环绕器给我们传数据来执行这个任务。这次任务还是一个独立自主的规划。


  想成为火星探测的筑梦者,该学什么专业?


  吴宝俊:有志的年轻人看了这个节目后,希望在将来成为一位火星探测或者其他行星探测的总设计师,他在上大学的时候应该报考什么样的专业?


  贾阳:我觉得首先一个概念得把它分开,就是到底想做科学家还是想做工程师。如果想搞科学研究,做出新发现,就得让苟老师来说。


  如果想做工程师,很多专业都可以,比如说我本身是学传热的,然后学计算机、电子,或者是机械,需求量都是比较大的。需求量小的,比如说工业设计,设计火星车的时候,为了把它设计得既满足功能的要求,又满足审美漂亮的需要,我们实际上也是做了相应的工业设计的,这就属于小众一点的需求。


  应该说工科的差不多和航天器的工业设计都有关系,典型的学校比较多,包括北京航空航天大学、北理工、南航、哈工大等等。各个学校最擅长的专业又有所不同,这个就不展开了。


  吴宝俊:苟老师,您说说要做科学家的话要报考什么专业呢?


  苟利军:要说科学,尤其是天文学,我觉得相对会比较简单,因为在国内有比较成熟的相应的专业。比方说中国科学院大学里面就有天文与空间学院,除此之外还有南京大学、北京师范大学、北大、清华等等。好多学校里面都有天文的专业。


  所以如果你感兴趣,这些学校天文专业都有系统性的学科,而且也有非常好的老师,最终在你自己的努力之下,我觉得肯定会达到你的理想和目标的。