姜景山院士:中国火星探测实现三步并一步走,就是世界第一

网易科技 2020/7/20 19:50:33 责编:远洋

网易火星知识官介绍:姜景山,中国工程院院士、国防科工局深空探测重大项目实施方案论证专家委员会成员,他也是中国载人航天工程、探月工程的主要推动者、组织者和领导者之一。中国微波遥感的主要开创者。

火星上究竟有没有生命的迹象?火星上的生态环境是什么样的?火星是否有可能成为人类在浩瀚宇宙中开辟定居的一个新大陆、新家园?

自从 60 多年前人类向火星发射第一枚探测器以来,人们对于这颗类地星充满好奇。人类迄今已进行了 44 次火星探测,但,对于这颗星球所知却仍然十分有限。

这一次,中国历史上第一枚火星探测器 “天问一号”即将于 7 月 23 日在海南文昌升空,中国人通过自己的科技行动,试图直接去揭开火星的秘密。

到现在为止,前苏联、美国、欧盟、日本都先后实施了火星探测器的发射,印度也成功发射了探测器。

“我们中国人这是第一次去火星,必须要有一个跳跃式的前进,直接就蹦到国际火星探测的第一方阵。”中国工程院院士、国防科工局深空探测重大项目实施方案论证专家委员会成员姜景山对网易科技《科学大师》记者说,中国在火星探测上比起前苏联、美国晚了几十年,这一次的行动,必须要有自己的创新亮点。而这个亮点就是,中国不再像探月那样三步走:绕月、着陆、巡视,而是一上来就三步并作一步,绕火星、着陆和星面巡视均列为一次实施任务目标。

姜景山院士是中国航天科技领域的资深科学家,曾任中国探月工程首期副总设计师,也是中国载人航天应用工程的组织者和领导者之一。这一次火星探测,他所在的中国科学院国家空间科学中心承担了科学目标和有效载荷配置研究任务。

据姜景山告诉《科学大师》记者,中国推进探月计划的同时,在 2012 年前,专家们就已经在推动中国自己独立的火星探测计划立项,而这一次的轨道器、着陆器和火星车巡视三大目标为一体的探测方案,也是一早就有的构想。2016 年 1 月,这一计划得到国家的正式批复。

火星距离地球至少 5500 万公里,远大于地球和月亮之间的 38 万公里。火星同时也在绕着太阳公转,这意味着从地球走向火星,难度要远远高于探月。但亲历过载人航天和探月两大工程的姜景山认为,两年一次的火星冲日(火星离地球的距离最近)是发射探测器的大好机会。目前这一个月是火星探测器的发射窗口,地球上发出的飞行器能够用最短时间、最省燃料,快速到达火星,不能错过。

这位老航天人承认,去火星的过程难度大,需要克服重重困难,但是中国先期已经进行过充分的准备和试验,并不是在打一场无准备之战,“箭在弦上,不能不发”。他也期待着中国探测器能成功奔向遥远的火星。

1.“火星探测,中国已经万事俱备”

《科学大师》:我们的探测器第一次从地球飞往火星,大家比较关注,我们事先准备得怎么样,技术上有多大把握?

姜景山:飞往火星,中间要穿过三个重力场,一个是地球重力场,我们的飞行器要脱离地球轨道,然后进入到太阳的重力场,再进入火星的轨道,进入火星重力场,被火星捕获住。这个难度比飞到月球的难度大得多,因为月球本身就是处在地球重力场的范围之内,它是地球的卫星。

美国和前苏联以前之所以失败很多次,主要原因之一,就是因为飞行器在到达火星时没有减速刹住车,没有被火星轨道捕获,失之交臂,擦肩而过,所以这个飞行速度需要克服。

在多少公里的距离之内,以什么样的刹车减速进入火星轨道?入轨后,又怎么样多次地变速下降接近火星? 进入火星轨道后进一步降速,降高度,用动力、气动力方式降落到离火星面 100 米,进行悬停、避障,寻找合适的落点。也就是说,诸如此类火星探测的很多关键技术实验,我们都做了,都很成功,中国人做事比较踏实,也比较稳妥。

《科学大师》:也就是说,我们中国的探测器这次在火星上降落,是要用到特制的降落伞?

姜景山:因为火星有大气,在下降段的低端,用降落伞是好的选择。至今,国际上降落火星曾用过两种方式。一种是美国早先用的动力、气动力方式降落火星,也是中国 “天问一号”要用的方式,其技术我们比较成熟。

另一种方式是气囊方式,美国以前也用过,把探测器等设备用特制气囊包住,降到一定过程,就把它落下去,当它碰上火星地面,就会弹跳起来,连续弹跳一段距离后停住了,自己就把气囊打开,然后就实现了跟火星的接触。

我们已经掌握了在外星上着陆的几种技术。

《科学大师》:原来我们探月的时候,周期拉得很长,先绕月,然后才是着陆和月面巡视,但这一次去火星,是三步并作一步,把轨道绕飞和着陆、火星车星面巡视都合并到一起了,为什么这样做?

姜景山:我们的火星探测起步较晚,中国必须有创新,大胆地把三步弄成一步。我们在探月上那么成功,我们已经开始发射空间站了,航天技术条件都有了,为什么不一下蹦三步呢?载人航天的时候,中国的微波遥感,当时和国际先进水平相差 20 年,当时我提出来(记者注:姜景山是中国微波遥感技术的主要开创者),中国的微波遥感发展要走 “跳跃式”方式,微波遥感的三个模态同时上。如果一次成功了,那就能进入国际先进行列。后来搭载神舟 4 号的 “多模态”成功了 , 开辟了中国航天微波遥感新纪元。

我认为,这是一种有科学性的 “冒险”,不是盲目的冒险。我们现在火星探测三步并作一步走,也是立足于科学和技术的基础上,都充分做了实验。去年 11 月我们就大张旗鼓地公开邀请驻外使节到河北怀来基地去参观。今年的疫情期间,我们通讯联络技术做了全网实验,也成功了。

这个通讯涉及的是对飞行器的轨道控制。离地球这么远的距离,我们是从来没有做过的,但这种操控能力我们现在有了。探月的时候,嫦娥二号在探月任务完成后,经过地月拉格朗日点奔向深空,地面测控系统始终抓住目标。我们已经有过实战经验。我们有一个大天线可以操纵控制它。在地面上,不光只是一个大天线,是天线阵,不仅在中国,其他的地方也有布局我们的地面天线。

我们都准备好了。

2,这次火星探测,中国是完全自主的

《科学大师》:我们对火星上的环境了解么?怎么选择着陆地点,怎么确保着陆的完整性?

姜景山:应该讲,月球没那么复杂,对月面上的环境,我们事先基本知道。对火星,我们现在还不太了解,肯定和月球环境是不一样的。我们在上面着陆,一个前提还是要基于美国和前苏联原来的火星探测信息,他们去过以后,大概也掌握了火星的地貌状况。另外,我们的飞行器在轨绕火星飞行的时候,包括降落的过程中,都是能够实现对火星地面的直接观测的,在避障过程中,能直接看到下面有没有坑、有没有大石头。我们的激光测高技术,在 100 米高度上,分辨率那么高,合适的降落点选择没有问题。我们设计好飞行器绕行的轨道,可以按照设计轨道降落下去,偏差很小。

《科学大师》:有个成语叫鞭长莫及,外行人会好奇,从地球到火星那么遥远的距离,那我们怎么对飞行器实现控制呢?

姜景山:我们在地面可以发出指令,操控飞行器的运行。在设计的时候,它就有相应的程序输入,只要接收到地面指令,它就能自己启动自己的程序系统。我们只要先把这个程序都设定好、计算好。地面指令就是一个启动指令,数据量很少,占带宽很小。

我们在火星上面的信息数据采集,也是这样。降到星面后,火星上的巡视器会把数据传到火星着陆器,(再)转发到轨道器,轨道器再传到我们的地球上,重要的数据一定要当时就传回来,是慢速传输方式,占用带宽可控制。

当然,远距离会存在传输时差,大概是十几分钟左右。我们地面对探测器的操控,也是基于这个时差,这要求我们对轨道测控的计算必须很精确,时间上不能含糊。

《科学大师》:我们这一次发射火星探测器,有外部阻力和困扰么?

嘉宾:对我们的限制几乎没有,因为我们完全是独立自主的,发射船是我们的,测控技术是我们独立的,轨道谁也都管不了,是公用的,除非他们发一个东西把我们打下来,这会引起国际公愤,而且如果真的发生了,我们也有反制的方法。在这方面,大家都彼此彼此,他们不敢。所以现在不存在这个情况。

《科学大师》:您怎麽理解火星探测的独立自主性?

姜景山:当前环境下,中国必须独立自主的发展火星探测领域,但我觉得火星探测必须全人类共同努力,必须进行密切合作,一个国家是做不了的。当然,我们也不能用当下的眼光来看待这件事情。也许几十年、几百年以后,整个国际社会环境、国与国的关系又会不一样,人类的思维也在不断变化,人类作为命运共同体,尤其是往太空、外星上发展,都应该相互支援。

3,火星探测第一目标:找生命

《科学大师》:为什么我们国家要进行火星探测?

姜景山:去火星,不是短时间提出的事,我们启动月球探测的同时,眼光已经放到火星上了。

我们中国的深空探测,第一步是月球,第二步就是火星。

火星是类地行星,它是有一点大气层的,大气密度是地球的百分之一。美国和前苏联探测照片显示,火星地质地貌跟地球很相似,也有山,也有类似河流。

再就是,这是离我们地球最近的行星。为什么没有先考虑去金星、水星?因为它们离太阳很近,温度很高,离地球距离也远。还有就是火星形成的过程和形成的时间,与地球比较接近,也是 40 多亿年。当然,金星、水星和其他太阳系的行星,小行星等也是未来的(探测)目标之一。

我们去火星,目标比较多,但排在第一位的,就是大家都关心的问题:那上面有没有生命,我们要进行探测。火星过去有过生命没有?是不是过去有过,后来由于某种原因消失了?生命存在的几个条件,看起来那里都能找到痕迹。因为生命如果存在的话,总是要跟环境做交换的,那里也有一氧化碳、二氧化碳、甲烷。

其中很重要的一个是甲烷。甲烷是生命的排泄物,本就是生命制造出来的气体,我们地球上就很多。发现甲烷,说明那边确实有某种状态的生命跟大气交换。欧空局、还有美国方面,都声称是探到甲烷了,但是也有疑议。我们对甲烷的探测也相当重视,我专门有队伍也在做这个工作。这次到火星上去,本来也可以用微波遥感手段试验在空气中能不能探测到甲烷。

《科学大师》:微波遥感这么厉害吗,能在高空当中就探测到空气中的成份?

姜景山:微波遥感就在轨道器上面探测火星大气,大气里的甲烷频谱我们都已经掌握了,因为地球上甲烷本来就比较多。在这个频谱里,我们做一个遥感器,再加上和降落到火星的地面巡视器相互合作,能进行综合探测。此外,还有二氧化碳、氮,这是地球最基本的要素,如果那边也比较多,那就跟地球一样。所以我们到那儿去,对跟生命有关的这些要素、地质环境,火星内部状况等方面,我们都要尽可能探测。

《科学大师》:探测火星上有没有生命存在,有什么意义么?

姜景山:人类早晚在地球上住不下去,就得移民。最近的就是火星,这个想法我觉得是对的。当然,也有不同的声音,说我们又不是富得钱花不完,非得去探测火星?但是人类总得要有一个长远打算,不能现在花光、吃光就完了,除了科学研究外,我们必须为自己的子孙后代着想。我们应该尽可能维护好地球家园,在这个前提下,我们也应拿出很大的精力为子孙后代谋出路。

4.“如果这次着陆成功,那就是世界第一”

《科学大师》:从你们专家来讲,心里有没有底,说这次我们去火星,一定会有收获?

姜景山:这次探火,基本的一个收获,就是说中国人去了,至少是证明了这个。至于上去之后有些什么样的发现,这些科学目标,我们要知道哪些是必须保的,哪些是没办法保的。像生命探测这个事情,我们就不能作为一个必保项,因为存在很多的不确定性。

而必保项,最少我们上去后能够探测火星的地质、地貌、火星环境、火星次表层及其内部结构等,至少我们的相机能把图片传回来。我们中科院国家空间科学中心,这次主要负责火星探测的科学目标和有效载荷配置任务,我们的队伍也上场了。这次探测器上有好几个相机,可以在轨道上看,可以下到火星看。这个相机的分辨率要求很高,重量很轻(小、轻、高),1 克的重量就花很多很多的钱(有时候往往就因为这 1 克之差导致整个失败),一看就能看得很清楚。

《科学大师》:那在什么样的程度上,可以说我们这次火星探测器的发射是成功的呢?

姜景山:要有一个基本的成功标准。我的基本成功标准是,只要探测器从火星轨道下去了,着陆了,就是最大的成功。如果没有达到三步,不要说我们是部分成功,没有必要。在深空探测论证委员会的专家会议上我也是发表的这个意见。我们要看到这一次三步合成一步的难度和先进性,如果着陆成功了,那就是世界第一,不要说这三步都完成了才算成功。下去了,就是成功了。

实际上,在绕火星飞行的时候,我们的轨道器只要进入科学的轨道,总能看到火星面貌,但是下去了会看到更细的东西,所以我希望能够成功着陆。

5.“人类想移民火星,起码得等上几千年”

《科学大师》:现在世界上还没有一个国家的探测器能够从火星那边返回地球,返回还实现不了,那人要过去,岂不是更困难?

姜景山:保守一点讲,我觉得如果人要去火星的话,还得等十几年。人去以后,还不能长时间停留在火星上,做少量的工作就得回来。不能在上面过夜。因为它的温度太低,跟月球是一样的,而且,要回来还要等到火星冲日,离地球最近的 “返回窗口”,否则一去一回的时间就很长了,路程可不是一年两年。

《科学大师》:那现在大家讲的所谓火星移民,岂不是要更长时间才能实现吗?一万年还是两万年后才可能实现?

姜景山:我想,至少还要等上几千年。移民的前提是,人类从地球到火星上来回跑,走得已经相当成熟了,技术成熟了。移民就意味着,人到那儿就可以不用回来了,在那里创造人居条件,至少得把那边的人类村建好了,大家可以批量过去,比如说至少一次去几十人,那才叫做移民。

这里,很重要的问题是未来运载的速度。如果能在几天内到达火星,那就离移民近了。美国等国,已经提出研制以新能源为动力的运载,其速度至少比现在的运载快几个数量级。能用几天时间去火星的运载的研究,我国著名的科学家、原中国工程院院长宋健院士在其专著《航天纵横》中,早已提出过要研究一种速度接近光速的运载。这需要很长的时间,但我觉得现在至少应尽快启动研究。

《科学大师》:也有科学家提出改造火星居住环境,火星那么大,怎么样能够改造星球上的环境?这个环境是指大的环境,还是指微观的环境?

姜景山:改造火星整体环境,供人居住,几乎是不现实的,但我认为,目前先进行微观环境的建设。因为下一步我们准备要建一个月球站,月球没有大气,人在上面,必须有生命保障条件,得有氧气。火星上可能有少量氧气,至少可以从低密度的大气里边提取氧气,从火星表层中提取水,这些成份的规模也许比月球大。条件成熟以后,在火星上也可以建火星站,供人类居住。

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关键词:火星天问一号

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