在太陽系行星探測的歷史中,火星一直是備受關(guān)注的一顆類地行星。尋找火星過去和現(xiàn)有的生命,探索生命的起源始終是人類夢寐以求的目標。
《火星探測征程》從火星探測工程的目的出發(fā),詳細論述了火星探測活動的各個方面。除火星概貌、火星探測目標和火星探測技術(shù)綜覽外,還詳盡地敘述了人類火星探測的艱辛歷程,通過不懈努力取得的豐碩成果以及未來火星探測的前景。為了充分借鑒前人的經(jīng)驗教訓,本書詳細論述了50多年來人類火星探測活動中出現(xiàn)的40多起典型故障案例,期望能夠為我國的火星探測工程起到一定的借鑒與啟示作用。
本書可為從事太陽系行星科學理論研究的人員、空間探索領(lǐng)域的工程技術(shù)人員,以及對深空探測有興趣的科學愛好者提供有價值的參考。
火星是地球的近鄰,并且是和地球最為相似的行星,因此自古以來就一直受到人類的密切關(guān)注;鹦堑男纬赡甏偷厍蛳嘟;軌道面與地球公轉(zhuǎn)軌道面接近于共面;它的自轉(zhuǎn)方向和地球相同;自轉(zhuǎn)周期和地球非常接近;其赤道平面與公轉(zhuǎn)軌道面之間也有一個和地球極其相似的傾角,因此它也存在著和地球類似的四季變化;火星的直徑只有地球的約1/2,四周也有大氣層包圍著,只是比地球大氣層稀薄得多。
人類對于火星的觀測始于1608年,即在天文望遠鏡發(fā)明之后不久。借助望遠鏡,可觀測到分辨率為100~200 km的火星表面特征。觀測發(fā)現(xiàn),火星表面有模糊的暗亮斑紋。此外,一個非常有趣的現(xiàn)象是火星兩極還有白色的極冠現(xiàn)象,隨著季節(jié)的變化,極冠面積會增大或縮小,就像地球上南北兩極的積雪和冰山一樣。1877年夏,意大利布雷拉天文臺臺長夏帕雷里發(fā)現(xiàn)火星表面有一些狹窄的暗線,還有一些較大面積的暗區(qū),很像是一些海峽連通著寬闊的海洋。于是他把這些暗線叫作Canali,在意大利語中的意思是“溝渠,水道”。但是這個發(fā)現(xiàn)經(jīng)過新聞媒體宣傳后,就變成了火星上有運河,因為英文Canal的意思是人工挖掘的運河。于是火星上有運河的消息很快便轟動了全球。后來人們用更大的望遠鏡觀測,發(fā)現(xiàn)所謂的“火星運河”是由許多孤立的形狀不規(guī)則的暗斑所組成,而不是運河。雖然火星被證實不存在運河,可是這并沒有徹底改變?nèi)藗儗鹦巧嫌猩嬖诘目捶ā?br />
進入航天時代以來,火星很快就成為人類探測太陽系行星的重點。世界各國發(fā)射的火星探測器已越來越先進,探測的成功率和探測精度也不斷提高,火星探測事業(yè)取得的重大成就使它的面貌逐漸為人們所熟悉。在科學技術(shù)高速發(fā)展的今天,對太陽系的起源與演化、地球的起源與演化、生命的起源與演化等自然科學基本問題的研究逐步深入,作為這些研究工作有力的旁證,火星探測的特殊地位已愈來愈被人們所確認。20世紀90年代以來,以美國為代表的航天大國掀起了火星探測活動的第二個高潮。
空間時代的來臨,揭開了這顆紅色星球的神秘面紗,書寫了人類探測火星的新篇章。截至2012年底,人類共進行了41次火星探測任務(wù),其中蘇聯(lián)/俄羅斯20次,美國19次,歐洲和日本各1次。
早期的火星探測任務(wù)數(shù)量很多,但技術(shù)上不夠成熟。從1960年到1964年短短5年中,美國和蘇聯(lián)共發(fā)射了8顆火星探測器,前6次任務(wù)均以失敗告終。第7顆火星探測器——美國的水手4,是第一顆成功的火星探測器。在飛越火星的過程中,它成功地發(fā)回了21張照片,首次向人類展示了與月球類似的荒蕪的火星表面。1971年,蘇聯(lián)的火星3在火星表面著陸,成為首個成功著陸火星的著陸器。1975年美國發(fā)射的兩顆火星探測器海盜1和海盜2在技術(shù)上已有較大進步,提供了大量關(guān)于火星的數(shù)據(jù),使人類對于火星的了解大大超過100多年前的望遠鏡時代。
進入20世紀90年代以后,美國共發(fā)射了11顆火星探測器,其中火星觀測者、火星氣候軌道器和火星極地著陸器失敗,但其他8顆探測器均獲成功,包括火星探路者、火星全球勘測者、奧德賽、勇氣號、機遇號、鳳凰號、火星勘測軌道器、好奇號。這些探測器中既有著陸器也有火星車,它們無論是在尺寸大小還是復(fù)雜性都較之前的任務(wù)有重大飛躍。2003年歐空局成功發(fā)射的火星快車軌道器,和美國探測器進行了密切的配合,也代表了當代先進技術(shù)水平。但在這20年間俄羅斯進行的兩次火星探測均以失敗告終。
與此同時,火星探測的空間合作也取得了重要進展。1993年在德國威斯巴登成立了“火星國際探測工作組”(IMEWG),約有10個空間機構(gòu)和組織加入這項合作計劃。工作組每隔兩年在各成員國召開一次會議,在火星探測戰(zhàn)略計劃和任務(wù)部署方面取得了顯著的成效。世界上主要的火星探測機構(gòu)聯(lián)合成立了火星表面地質(zhì)觀測網(wǎng)。進入21世紀后,人類對火星的探測將繼往開來,國際合作更加深入,這將為人類探索宇宙的奧秘,尋找生命的起源,開發(fā)、利用太空作出卓越的貢獻。
我國航天事業(yè)的成就舉世矚目,但行星探測活動剛剛開始,與美、俄、歐相比存在著較大差距,行星探測成為我國航天事業(yè)中亟待開發(fā)的處女地。2007年,在中俄兩國國家元首的見證下,兩國國家航天局正式簽署了關(guān)于聯(lián)合探測火星和火衛(wèi)一的協(xié)議。這是我國繼月球探測后在深空探測領(lǐng)域邁出的嶄新一步,其科學意義和工程意義均十分重大。雖然這次發(fā)射由于俄方計算機系統(tǒng)故障而失敗,但中方的螢火一號火星軌道器研制工作本身是十分成功的,所進行的一系列試驗已表明了它的優(yōu)異性能。在研制過程中取得了極其寶貴的經(jīng)驗,攻克了大量關(guān)鍵技術(shù)問題,為未來的火星探測任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。
為了積極配合我國未來火星探測任務(wù)的研制,我們編寫了《火星探測征程》。
全書共分8章,第1章為火星概貌,介紹了火星的物理、氣候和地質(zhì)地貌特征;第2章敘述了火星探測對生命起源研究的重要意義和火星探測的5個發(fā)展階段;第3章是火星探測技術(shù)縱覽,扼要地討論了火星探測軌道與發(fā)射窗口、進入下降和著陸、主要技術(shù)難題,以及載人火星探測問題;第4章~第8章是本書的重點,其中第4章介紹美、蘇兩國早期的火星探測歷程;第5章逐項詳細介紹了20世紀90年代以來各國的火星探測任務(wù);第6章討論了50多年來火星探測的豐碩成果,包括科學探測成果和工程技術(shù)成果;第7章系統(tǒng)分析了歷年來火星探測中出現(xiàn)的重大故障和從中取得的經(jīng)驗教訓;第8章討論了火星探測的前景,包括未來十年的火星探測計劃和載人火星探測構(gòu)想;最后還附有世界各國火星探測活動編年表和火星探測故障表。希望本書能夠為我國火星探測任務(wù)提供有力的借鑒和佐證,促進探測任務(wù)的圓滿完成;并且能夠?qū)ξ覈磥淼幕鹦翘綔y發(fā)展戰(zhàn)略的制定、火星探測技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮很好的支撐作用。
本書編寫過程中,方寶東、褚英志、趙晨、袁勇、華春、徐劼等提供了大量有價值的原始資料;此外還得到國防科工局系統(tǒng)一司的大力支持和全程指導(dǎo),在此特表衷心感謝。
第1章 火星概貌
1.1 火星的物理特性
1.1.1 火星的運動特征
1.1.2 火星的物理性質(zhì)
1.1.3 火衛(wèi)一和火衛(wèi)二
1.2 火星大氣和氣候
1.2.1 大氣成分和大氣化學
1.2.2 大氣結(jié)構(gòu)
1.2.3 云、霧、霜
1.2.4 大氣環(huán)流和塵暴
1.2.5 極冠與水
1.2.6 火星的氣候變遷
1.3 火星地質(zhì)地貌
1.3.1 火星地貌
1.3.2 火星地質(zhì)
第2章 探火目的和各個探火階段
2.1 火星探測最重要的使命是研究生命起源
2.1.1 尋找生物出現(xiàn)前化學現(xiàn)象的證據(jù)
2.1.2 尋找過去的生命
2.1.3 尋找現(xiàn)有的生命
2.2 各個探火階段
2.2.1 飛越和環(huán)繞勘測階段
2.2.2 機器人著陸器和火星車階段
2.2.3 生物實驗室階段
2.2.4 采樣返回階段
2.2.5 載人探火階段
第3章 火星探測技術(shù)綜覽
3.1 探測軌道與發(fā)射窗口
3.1.1 復(fù)雜的軌道設(shè)計
3.1.2 有限的發(fā)射窗口
3.2 進入、下降與著陸
3.2.1 進入、下降和著陸的挑戰(zhàn)
3.2.2 氣動外形減速
3.2.3 火星用降落傘
3.2.4 著陸緩沖系統(tǒng)
3.3 火星探測的主要技術(shù)難題
3.3.1 制導(dǎo)控制
3.3.2 測控通信
3.3.3 探測器智能自主技術(shù)
3.3.4 新型空間電源技術(shù)
3.4 載人火星探測
3.4.1 載人探火的基本問題
3.4.2 星際飛行推進系統(tǒng)
3.4.3 載人探火的特需技術(shù)
第4章 早期的火星探測(1960—1990年)
4.1 蘇聯(lián)火星號系列和福布斯系列
4.1.1 火星-1960A/1960B
4.1.2 火星-1962A/1962B
4.1.3 火星-1969A/1969B
4.1.4 火星-1
4.1.5 火星-2/3(Mars-2/3)
4.1.6 火星-4/5(Mars-4/5)
4.1.7 火星-6/7(Mars-6/7)
4.1.8 探測器-2(Zond-2)
4.1.9 探測器-3(Zond-3)
……