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人类或二十年后登陆火星

时间:2015-11-09  来源:科技日报   发布:高端装备网 

  北京时间11月6日凌晨,美国航空航天局(NASA)宣布了火星大气与挥发物演化探测器(马文号)的重要发现——过去40亿年,太阳风带走了火星大气。

 

  频频宣布火星重大发现,NASA要干大事?太阳系中,火星的自然环境与地球最相似,是唯一经改造后适合人类长期居住的天体。自9月28日NASA宣布在火星表面发现液态水后,更多迹象表明火星可能拥有适宜生命存在的环境。而NASA的雄心,正是实现人类登陆火星的梦想。

 

  美国计划2035年左右将航天员送上火星。

 

  火星大气去哪儿了?

 

  经过几十年的火星探测,包括轨道器、着陆器和火星车的探测,火星探测的新发现不断冲击人类的想象力,给人们带来探索未知世界的惊喜。

 

  随着对火星的逐步了解,人类也逐渐发现火星的内部、表面和大气之间的相互联系。火星是否具有适合人类移居的潜力?是否存在大规模的水?气候是如何变迁的?郑永春表示,要回答这些问题,关键是了解火星不同系统间相互关系的变化历史。

 

  之前的探测已经发现,火星曾经有过大规模液态水,这要求火星有浓厚的二氧化碳大气层,以实现液态水所需的温室效应。而大气逃逸,消散到太空中,可能是火星气候变化的主要原因。

 

  马文号就是通过测量火星高层大气与太阳和太阳风的相互作用,研究火星大气逃逸过程。

 

  地球由于有磁场的保护,带电的太阳风离子无法直接抵达地球大气层。而火星没有全球性磁场,太阳风可以直接抵达,驱赶其高层大气中的带电离子。马文号测量了火星大气中离子的总逃逸速率及速率变化,结果发现过去40亿年中,火星大气粒子逃逸对气候变迁有巨大影响。

 

  火星大气逃逸主要发生在三个区域:一是火星背面,占逃逸总量的75%;二是在极区上空,约占25%。还有极少部分从环绕火星的延展云层流失。

 

  除了太阳风,不时出现的太阳风暴对火星大气产生的影响更为显著。尤其在太阳系形成早期,太阳风暴出现的几率更频繁。当太阳风暴击中火星大气层时,大气逃逸速率将提高10%至20%。平均每秒有大约100克大气被吹走,相当于一个面包的质量。

 

  理解火星大气发生了什么,有助于理解任何行星大气的动态和演化。什么让火星大气从可以支撑微生物存在到无法支撑其存在,这是NASA火星任务要解决的关键问题之一。

 

  一点点揭开火星的神秘面纱

 

  火星是美国太阳系探测战略的核心。迄今为止世界各国共进行40多次火星探测,其中约三分之二以失败告终。但美国对火星探测保持着极高的成功率,接二连三的重大科学发现使其占据着全球深空探测领导地位。

 

  2002年1月,洛克希德·马丁公司研制奥德赛探测器进入火星环绕轨道。除承担机遇号、勇气号火星车及凤凰号着陆器与地球之间通信中继任务,它还探测了数种元素的全球分布及其含量,并寻找火星表面水与火山活动的痕迹。

 

  2004年1月,机遇号和勇气号火星车在火星降落。经历了数年探险,勇气号于2010年停止工作,机遇号至今仍在运转。2013年5月,机遇号在一块名为“埃斯佩朗斯6号”的岩石中发现了丰富的粘土矿物,这些矿物富含铝,很像地球上的微晶高岭石,说明当时流经岩石缝隙的水是中性的。可饮用水的发现,成为支持火星生命诞生的重要证据。

 

  如今的火星表面是一片不毛之地,但2004年欧空局发射的火星快车发现火星曾经有水。2012年2月,火星快车探测了火星地表以下60至80米的情况,发现一层低密度物质,可能是某种富含冰的沉积物,与地球海床中的沉积物类似。这层物质正好位于此前发现的火星海岸线以内,可以推测,如今干涸的火星北部平原在数十亿年前可能是一片汪洋。

 

  2008年5月,凤凰号在火星北半球着陆。它在北极附近的永久冻土带采集和分析土壤样本,首次证实火星上有水存在。它还发现火星土壤中含有许多微生物赖以生存的化学物质——高氯酸盐。

 

  2012年8月,好奇号带着探索火星是否适宜生命生存的使命,降落在火星盖尔坑内中心山脉的山脚下。不久后,它发现曾存在于36亿年前的“黄刀湾淡水湖”,并在湖底沉积物中发现了碳、氢、氧、硫、氮、磷等关键生命元素,表明此处在理论上可以支持简单微生物的生存。

 

  2013年11月发射的马文号,目标是探索火星气候演化历史,研究火星环境如何从类似地球的样子演变为如今的不毛之地。马文号在运行期间,至少5次从数千公里的高空冲下,一头扎进火星大气层,在距离火星表面仅124公里的低空呼啸而过,以“品尝”火星大气层的“味道”。“此次马文号对火星大气消失之谜的关键性发现,将有助于进一步了解火星,并为20年后实现人类登陆火星提供重要依据。”他说。

 

  登陆火星仍困难重重

 

  除了宣布关于火星大气逃逸的新发现,NASA已经为载人登陆火星开始了准备。

 

  NASA正在利用火星探测轨道器寻找合适的登陆点,该地点要能满足多名航天员长期驻留,周围直径200公里范围将作为探索区域。

 

  同时NASA在探索新的火星着陆技术。对于上吨重的探火载人飞船,现有技术无法满足其着陆需求。为此NASA正在研究新的大型降落伞,同时计划以充气方式扩大着陆器面积,增大其阻力。相关试验已经开展了几次,取得了一定成果。

 

  在火箭方面,“太空发射系统”(SLS)正在稳步研制中。这是NASA为载人登陆小行星及探测火星而准备的重型运载火箭,第一阶段近地轨道运载能力能达到70多吨,第二阶段将超过130吨。与此同时,美国太空探索技术公司也在研制重型火箭,其“超级猎鹰”火箭的近地轨道运载能力或将达到170吨。

 

  此外NASA已经准备为探索火星组建团队,将在全美范围内招募航天员,计划在2017年公布成员名单。

 

  不过,人类要想登上火星,仍面临很多困难。

 

  航天员长期处于狭小环境,很容易对心理产生影响,对此科学家一直在开展研究。俄罗斯于2010年开展了“火星500模拟太空试验”第三阶段试验,让包括中国航天员科研训练中心宇航员教员王跃在内的6名志愿者,在密封空间生活了520天,模拟飞往火星、环绕火星、登陆火星和返回地球全过程。美国也将开展类似试验,计划用上百天时间模拟火星飞行。

 

  然而这种试验只能针对航天员的心理影响,对生理方面如长期失重环境对心脏、骨质、肌肉的影响,空间辐射带来的影响等还难以模拟。俄罗斯提出了动物试验方案,据说还训练了一只会操作仪器的猴子。美国暂无这方面计划。

 

  火星服的研制也是难题。火星服跟普通舱外航天服的要求不一样,因为火星重力大约相当于地球的三分之一,目前的舱外航天服重约120公斤,即使在火星上也有40公斤,穿上几乎无法工作。因此火星服首先要更轻,同时要能防风沙,以抵御火星上强烈的沙尘暴。

 

  在能源方面,如果飞船利用太阳能,其电池表面很容易被火星沙尘覆盖,将影响电能。好奇号成功采用了核能,但对载人飞船而言,其辐射可能损害航天员的健康。美国曾开展“普罗米修斯”计划研制核动力载人火星飞船,其飞行速度可达每小时8.7万公里,相当于常规载人飞船的3倍,但技术上存在严重隐患——航天员每天所受的辐射相当于作8次X光透视。这项计划后来被终止。

 

  现在美国和俄罗斯都在重新研究核动力飞船。常规载人飞行器从地球飞到火星需要8至10个月时间,前述失重、受辐射、心理影响等问题,归根结底都是飞行时间太长所致。如果能大幅缩短飞行时间,这些问题将迎刃而解,为航天员“吃喝拉撒”而带的“行李”也能大大减少。安全可靠的核动力载人飞船何时能问世,目前还无法预期。因此美国要在2035年左右登陆火星,仍主要立足于正在研制的SLS火箭和猎户座飞船。

 

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