DAOrayaki |火星探测简史

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资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:90 USD

研究种类:Mars mission, survey

原文作者:   Elizabeth Howell, Vicky Stein

创作者:xingyang@DAOrayaki.org

审核者:Yofu@DAOrayaki.org

原文:  Mars missions: A brief history

DAOrayaki 是一个去中心化的研究者组织和去中心化媒体,通过 DAO的形式去中心化地资助世界各地的研究者进行研究、翻译、分析等工作。DAOrayaki 由早期的 DAO 组织 DAOONE 核心成员发起,得到了Dora Factory基础设施的支持。欢迎通过文末方式提交星际移民、量子计算、DAO等相关研究,瓜分10000USDC赏金池!了解去中心化自治组织(DAO),探讨最新治理话题,关注DAO的发展趋势,欢迎加入DAOrayaki社区!

通过火星探测任务,我们对这个红色星球有了更多了解。

人类对火星的探测已经持续了50多年,但每次任务的成败不尽相同。(Image credit: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images)

自20世纪60年代以来,为探索我们的行星邻居,火星探测发射变得普遍。火星之所以诱人,在于火星上有存在液态水的可能,因此也有可能存在生命。

但这过程注定不易,根据美国国家航空航天局(NASA)的数据,所有火星任务中只有大约一半成功到达这个红色星球。一定有一个“银河系大食尸鬼”在吞噬它们,一位记者和NASA的科学家在1964年交流时开玩笑说,《经济学家》报道。

自1965年首次成功飞越火星以来,已有数个空间机构成功进入火星轨道。NASA、前苏联的太空计划、欧洲航天局(ESA)和印度太空研究组织都取得了早期成功。

阅读:去火星的路途有多远?

一批重要的火星任务聚集在2021年2月。NASA的 "毅力 "号火星车和 "机智号"号无人机在当月抵达火星,还有阿拉伯联合酋长国的“希望”号轨道飞行器(该国的首次星际任务)和中国国家航天局的“天问一号”轨道飞行器和着陆器—火星车任务,这是中国首次成功前往红色星球。

在未来的2020年代和2030年代,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)正计划从火星的卫星火卫一进行采样返回任务,而美国国家航空航天局(NASA)已与欧空局合作进行火星采样返回任务。

早期火星探测

人类对火星的兴趣早在太空时代的黎明就已产生。第一颗卫星,即苏联的史普尼克号(Sputnik),于1957年发射;仅仅三年后,苏联的太空计划就希望将其触角延伸到火星。

苏联,或苏维埃社会主义共和国联盟(USSR)在20世纪60年代进行了多次抵达红色星球的尝试,NASA很快以其水手3号航天器跟进。根据NASA火星任务的历史记录和RussianSpaceWeb.com,这些早期任务都没有达到他们的目标,甚至算不上接近。

首次成功抵达和随后的尝试

“水手号峡谷”,以45度角拍摄,4倍VE(垂直比例放大)、接近真彩色。图片涵盖63万平方公里,分辨率每像素100米。数字地貌模型由20个单独的高精度立体相机HRSC轨道创建的,而颜色数据是由12个轨道幅面产生的。峡谷的最大部分,即横跨图像的部分,被称为Melas Chasma。Candor Chasma是北部挨着的连接槽,再后面是小一点的Ophir Chasma。图像的最左上方可以看到Hebes Chasma。

NASA的水手四号是第一个抵达火星的航天器。它于1964年11月28日发射,并于1965年7月14日首次飞越该星球。水手四号一共向地球发回了21张火星照片。

水手四号发射两天后,苏联再次用探测器2号(Zond 2)进行尝试。该航天器与火星擦肩而过,但其无线电失灵,没有返回任何火星数据。

美国还在1969年发射了水手6号和水手7号,根据NASA喷气推进实验室的数据,这两艘飞船都抵达了火星并发回了几十张照片。所有这些航天器都碰巧飞过火星上布满陨石坑的区域,给天文学家留下了错误印象,火星看起来和月球很像。

1969年至1971年期间又进行了几次尝试,但大多数都没有达到目标。

失败任务列表:

  • 1969年3月27日。苏联火星1969A号发射,但在到达地球轨道前摧毁。
  • 1969年4月2日。苏联火星1969B号发射失败。
  • 1971年5月8日。美国水手八号发射失败。
  • 1971年5月10日。苏联科斯莫斯419号发射并进入地球轨道,然后出现了致命故障。

1971年,苏联终于到达了红色星球。它的火星2号轨道器,于1971年5月19日发射,于11月2日抵达。然而,火星2号着陆器在着陆时毁坏,无法动弹。另一个轨道器和着陆器任务,火星3号,于1971年5月28日发射,并于12月3日抵达红色星球。

火星3号着陆器是第一个成功在另一个行星上完成软着陆的航天器,但几乎立即失联。着陆器在火星表面只工作了几秒钟就故障了,轨道器则继续运行。

1971-1980年代,水手9号和维京号任务

这张火星表面的彩色照片由维京一号于1976年7月24日拍摄(Image Credit: NASA)

1971年11月,随着NASA水手9号的登场,公众对火星的印象发生了变化。该航天器于1971年5月30日发射,抵达火星时,整个火星正被一场沙尘暴所吞噬。而且,沙尘暴上方还出现了一个神秘的图像。

当尘埃落定时,科学家发现那个神秘的图像是休眠火山的顶部。水手9号还发现了一个横跨火星表面的巨大裂缝,后来被称为“水手号峡谷”——以发现它的航天器命名。水手9号在红色星球的轨道上运行了近一年时间,并返回了7329张照片。

苏联继续其火星系列的航天器,只获得了部分成功。发送往红色星球的四个航天器中,只有一个轨道器和一个登陆器在1974年短暂地返回了数据。

  • 1973年7月21日。火星4号(苏联)发射,然后在1974年2月10日飞过火星。它原本的目标是环绕火星运行,而不是继续前进。
  • 1973年7月25日。火星5号(苏联)于1974年2月12日发射并进入围绕火星的轨道,但只持续了数天。
  • 1973年8月5日。火星6号(苏联)发射了一个飞越舱和着陆器,于1974年3月3日抵达红色星球,但着陆器在撞击时被摧毁。
  • 1973年8月9日。火星7号(苏联)带着飞越舱和着陆器再次发射,并于1974年3月3日抵达红色星球,但着陆器打偏了。

与此同时,NASA在1975年向火星发送了两对轨道器和登陆器。维京1号和维京2号都在1976年抵达红色星球,并将其登陆器送至火星表面,而轨道器仍在上面工作。维京计划代表了对火星的首次长期探索,因为每个航天器都持续运行了数年,并将大量的信息传回地球。然而,在红色星球上发现生命的希望破灭了,因为这些探测器不能明确地证明火星表面上存在微生物。

维京号任务还显示,火星的成分与地球上发现的某些陨石几乎相同。这表明,在地球上发现的一些陨石来自火星。

苏联在20世纪80年代也曾两次试图到达火星的一个卫星——火卫一Phobos,但两次任务都失败了。苏联在1991年解体,根据1994年发表在《科学与全球安全》杂志上的一篇论文,俄罗斯的太空计划接替了苏联的工作。

20世纪90年代,更快、更好、更经济

“火星脸”是NASA的维京1号轨道器于1976年7月25日拍摄的一张黑白照片。图片显示了火星塞东尼亚区群山的一角。(Image Credit: NASA/JPL-Caltech)

NASA的火星观测器于1992年9月25日发射。航天器在1993年8月21日本应进入火星轨道之前失去联系。根据Asif Siddiqi 于2018年出版的《超越地球:深空探索纪事》一书,虽然通信故障原因从未得到充分解释,但最有可能的原因是燃料箱破裂,导致航天器偏转从而失去与地球通讯。

这一损失尤其令人痛苦,因为该航天器耗资巨大:估计为8.13亿美元,几乎是该项目的原始预算的四倍。昂贵的费用和钱打水漂的结局在NASA内部引发了一场新运动,目的是利用先进的计算机电子技术和新的团队管理技术。NASA称其为更快、更好、更便宜计划(FBC,Faster, Better, Cheaper)。

与此同时,NASA的火星全球勘测者号(MGS)于1996年11月7日离开地球,并于1997年9月12日抵达火星。它的服役期被多次延长,直到2006年NASA与它失去联系。MGS绘制了红色星球的全球地图,揭示了许多远古时期有水存在的迹象,例如由移动液体和赤铁矿(一种在水中形成的矿物)形成的沟壑。来自MGS的数据也帮助NASA决定其未来火星车的着陆地点。MGS还拍摄了公众感兴趣的照片,包括重新拍摄了著名的“火星脸”。

1997年,NASA的旅居者号火星车在83天时间里走过了红色星球330英尺(约100米)的旅途。(Image Credit: NASA)

俄罗斯航天局继续苏联对火星的探索,他们的火星96号任务于1996年11月16日发射。然而,在火箭中途故障后,轨道器、两个着陆器和两个穿透器都不知所踪。

在地球的另一边,FBC计划的第一次任务取得了巨大成功。NASA的探路者着陆器和旅居者号火星车于1997年7月抵达火星。探路者是第一个使用安全气囊来缓冲着陆的着陆器,而旅居者号是第一个在火星表面蹒跚行走的火星车。探路者号原定服役一个月,旅居者号是一周,但两者一直工作到1997年9月,才与NASA失去联系。

第一个既非美国也非苏联的火星任务,是日本于1998年7月4日发射的轨道器Nozomi。该航天器成功抵达火星,但在2003年12月未能进入轨道。根据日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的说法,它还是收集了部分星际空间的数据。

另外两项FBC任务未能着陆红色星球。火星气候轨道器于1998年12月11日发射,在1999年9月抵达后在火星大气中解体。这个事故说明了在所有计算中标注单位是多么重要:根据NASA的说法,坠毁的原因是在引导航天器进入火星轨道时,没有将英制单位转换为公制单位。

NASA的火星极地登陆器(MPL)和它的两个空间探测器(称为深空2号)于1999年1月3日发射,但在完成他们的旅程之前就失去联系。NASA的研究人员推测,可能是着陆器的腿部传感器故障。科学家们认为,如果MPL在实际到达地面之前就确定自己已经着陆,那么它可能过早地把引擎给关闭了。

2000年至2020年,火星车爆炸

随着新千年到来,火星探索再度兴起。

NASA的火星奥德赛号于2001年3月7日发射,并于2001年10月24日抵达红色星球。截至2022年初,已经二十多年过去,奥德赛仍在进行它延伸的科学任务。奥德赛号已经传回了100多万张图片,绘制了火星几种元素的全球分布图,并作为中继器传回了95%以上的勇气号和机遇号探测器的数据。

欧空局于2003年6月2日发射了火星快车/老鹰2号的轨道器—着陆器组合。着陆器在2003年12月25日抵达火星时失联,但轨道器在2005年11月完成了其主要任务。据欧空局称,截至2022年初,该轨道飞行器仍在其返回火星地质照片的延伸任务中发挥作用。

NASA的两个火星车,勇气号和机遇号,于2004年抵达火星表面。各自都发现了红色星球上曾经有水流动的充分证据。2010年3月,勇气号在一个沙丘上停止工作,而机遇号则继续工作了近十年。机遇号在2018年夏天的一场沙暴后陷入沉寂,NASA在2019年初宣布任务结束。

火星侦查轨道器上的HiRISE相机拍摄的尘埃恶魔。(Image credit: NASA, HiRISE, MRO, LPL(U. Arizona))

NASA的火星侦查轨道器,于2005年8月12日发射,2006年3月12日开始围绕火星运行。该任务返回的数据比以前所有火星探测任务的总和还要多,截至2022年初,它还在持续发送红色星球样貌和天气的高清晰度数据。它还将火星地表任务的数据转发回地球。

2007年8月4日,NASA发射了一个名为火星凤凰号的固定着陆器,该着陆器于2008年5月25日抵达火星,并发现火星地表下的水冰。凤凰号的太阳能电池板在火星的严冬中遭受严重损坏。2008年11月,NASA与这个价值4.75亿美元的登陆器失去了联系。在反复尝试重新连线失败后,NASA于2010年5月宣布凤凰号死亡。从红色星球的轨道上拍摄的照片证实了凤凰号的毁坏。

俄罗斯航天局再次试图通过Phobos-Grunt任务到达火卫一,该任务于2011年发射,于2012年1月15日离开地球轨道前坠毁。Phobos-Grunt任务还有中国第一个火星轨道器,以及由总部设在美国的行星协会主导的一项旨在研究在深空的长期旅行如何影响微生物的实验。

NASA强劲的好奇号火星车于2012年抵达火星的盖尔环形坑,寻找火星以前存在宜居环境的迹象。它的主要发现包括发现以前被水浸泡的区域,地表的甲烷和地壳的有机化合物。好奇号的任务一直持续到2022年初。

NASA洞察号着陆器的自拍。(Image credit: NASA/JPL-Caltech)

印度的火星轨道器任务(MOM)在2014年成功实现入轨,并对整个星球进行成像,为火星天气和表面特征提供了一个独特的视角。

NASA的火星大气和挥发性演变项目(MAVEN)于2013年11月发射,于2014年9月21日进入轨道,通过持续观察火星大气的变化,以更好地了解它在数十亿年中变薄的原因。

欧洲航天局与俄罗斯合作的ExoMars计划,在2016年发射了一个名为微量气体任务卫星(TGO)的轨道器和一个名为斯基亚帕雷利(Schiaparelli)的演示登陆器。尽管Schiaparelli在火星表面坠毁,但TGO仍在运行,并勘察火星大气的组成。

NASA在2018年将火星洞察号登陆器送往红色星球,首次详细探测出火星的内部结构。因为对火星历史研究的贡献,洞察号被批准在2021年延长服役,尽管由于火星表层比预期的要坚硬,它埋下一个热量探针(或 "鼹鼠")的努力没有成功。洞察号还携带了第一批火星立方体卫星,这些微小的卫星搭便车前来,负责从轨道上记录洞察号的着陆。

火星上现有的探测器

好奇号火星车激发了另一个名为“毅力”的火星车,它于2021年2月18日在火星的Jezero火山口成功着陆。尽管毅力号也携带了许多其他调查的设备,它的首要任务是寻找有潜在生命迹象的样本。毅力号将为未来的样本返回任务保存最有希望的样本,该任务暂定于十年后进行,由NASA和欧洲航天局共同参与。

毅力号带来了第一架星际直升机,名为“机智”,它证明了在火星上飞行的可行性。虽然机智号原本打算最多飞行5次,但截至2022年初,“机智”已经度过一场沙尘暴,并在火星上飞行了19次,它在陪毅力号执行新的任务。

阅读:火星无人机“机智”从空中拍摄毅力号 (照片)

其他国家也在积累火星经验。

阿拉伯联合酋长国的希望号于2021年2月抵达火星,旨在勘探火星天气和大气层。希望号在第一年里确认了离散极光的存在,这是一种这颗行星在夜晚出现的极小范围的大气现象,并注意到了每天都在增长和收缩的含水云层。

中国的“天问一号”任务包括一个登陆器、火星车和轨道器,旨在对火星进行多种调查任务。它于2021年2月抵达火星轨道;其计划中的一些工作包括观察土壤中的水含量和检查火星气候和环境。在首次成功抵达红色星球的任务的第一年,中国登陆并部署了祝融号火星车,使其成为第一个在火星上操作火星车的非美国机构。

欧空局和俄罗斯航天局的合作项目ExoMars,正在进行罗莎琳-富兰克林号火星车及其配套着陆器的工作,该项目在因技术问题和冠状病毒大流行而推迟两年后,预计于2022年离开地球。

日本还计划在2024年重返火星探索,届时它将发射火星卫星探索(MMX)任务,从火星的两个卫星之一的火卫一带回岩石样本。

延伸阅读

关于早期火星任务的更多背景及因果关联,请阅读这篇来自自由欧洲电台的文章,关于在苏联火星3号登陆器发射和失联三十多年后,一场大规模的众包搜索。如果你想知道更多关于人类对红色星球的迷恋,请看国家地理杂志的这篇文章,解释为何人类不断往火星发送探测器。如果你想了解NASA/JPL早期火星任务的完整故事,请看JPL前主任布鲁斯-默里1989年的书《太空之旅:太空探索的前三十年》。

参考资料

  1. Barnett, Amanda. "In Depth | Mars Climate Orbiter." NASA Solar System Exploration. Planetary Science Communications. Accessed Feb. 22, 2022. https://solarsystem.nasa.gov/missions/mars-climate-orbiter/in-depth.
  2. NASA's Mars Exploration Program. "Historical Log | Missions." NASA Science Mission Directorate. Accessed Feb. 22, 2022. https://mars.nasa.gov/mars-exploration/missions/historical-log.
  3. "Making a Splash in a Lava Sea." The European Space Agency, Jan. 26, 2022. https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Mars_Express/Making_a_splash_in_a_lava_sea.
  4. NASA's JPL. "Mariner Program." Mission and Spacecraft Library. Jet Propulsion Laboratory. Accessed Feb. 22, 2022. https://space.jpl.nasa.gov/msl/Programs/mariner.html.
  5. Institute of Space and Astronautical Science. "NOZOMI | Spacecraft." Japan Aerospace Exploration Agency. Accessed Feb. 22, 2022. https://www.isas.jaxa.jp/en/missions/spacecraft/past/nozomi.html.
  6. Rincon, Paul. "How Many Mars Missions Have Been Successful?" BBC News, July 30, 2020, sec. Science & Environment. https://www.bbc.com/news/science-environment-53589767.
  7. Siddiqi, Asif. "Beyond Earth: A Chronicle of Deep Space Exploration." Text. NASA, Sept. 20, 2018. http://www.nasa.gov/connect/ebooks/beyond_earth_detail.html.
  8. T. C. "Borscht, Mars and the Great Galactic Ghoul." The Economist, Nov. 14, 2011. https://www.economist.com/babbage/2011/11/14/borscht-mars-and-the-great-galactic-ghoul.

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