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中国火星之路:顺风还是逆风?

2009-11-30 13:39 作者:曹玲 2009年第41期
在火星探测的历史上,俄罗斯屡战屡败,屡败屡战,真是没有什么功勋章可拿,但是中国却搭上了俄罗斯的顺风车,希望于今年10月把第一颗火星卫星送上太空。不幸的是,为了确保安全,此次出征时间又被俄方推迟了两年,令诸多中国科学家扼腕叹息。

1996年7月,俄罗斯工程技术人员测试搭载“火星-96”飞船登上火星的自动登陆器

在火星探测的历史上,俄罗斯屡战屡败,屡败屡战,真是没有什么功勋章可拿,但是中国却搭上了俄罗斯的顺风车,希望于今年10月把第一颗火星卫星送上太空。不幸的是,为了确保安全,此次出征时间又被俄方推迟了两年,令诸多中国科学家扼腕叹息。

搭上俄罗斯的“顺风车”

今年10月初,俄罗斯决定将原定于今年10月升空的“福布斯-土壤”火星探测器的发射时间推迟至2011年。而计划搭载俄罗斯火箭与“福布斯-土壤”火星探测器一起升空的我国“萤火一号”火星探测卫星也拟推迟两年发射。

“萤火一号”火星探测卫星是我国研制的第一颗火星探测卫星,推迟发射让相关人员感到“非常遗憾”。“之前也听到一些风声说进度非常紧,一些联合测试从8月初推到8月中旬,又推到9月初。俄罗斯方面也是直到最后迫不得已了才做出推迟的决定。我们原本给予这个计划很大希望,期盼能够尽快拿到数据,做出研究成果,结果这一推迟就是两年多。”中科院空间中心主任吴季研究员告诉本刊,他是此次中俄联合探测火星计划的首席科学家。

曾有西方媒体挖苦此次的“福布斯”计划说:“设想一下,一个已经多年没有训练过的世界级运动员忽然有机会参加奥运会,一个从来没有进行过排练的歌唱家站在斯卡拉歌剧院的舞台上。俄罗斯的‘福布斯’计划大概就是如此。”

不得不承认,火星是俄罗斯航天史上的一个噩梦。有一种开玩笑的说法——“火星属于美国,金星属于俄罗斯”,言简意赅地总结了两国在火星和金星上取得的成就。在太空军备竞赛的年代,即便是太空预算非常充足,苏联探索火星的计划也常常失败。苏俄20多个针对火星的任务,没有一个获得了彻底的成功,“福布斯”任务同样难逃厄运。

火星有两颗卫星,即“火卫一”和“火卫二”。在希腊神话中,火卫一和火卫二是火星阿瑞斯和金星阿芙罗狄蒂的两个儿子,一个叫做福布斯(Phobos),意思是恐惧,另一个叫戴莫斯(Deimos),意思是惊慌。相比戴莫斯,福布斯围绕火星的轨道相对较低,是二者中比较容易到达的一颗。早在上世纪80年代,苏联就制定了针对福布斯的探测计划。1988年7月7日和12日,苏联先后发射“福布斯-1”和“福布斯-2”两个火星探测器。由于地面控制人员错发了控制指令,“福布斯-1”于1988年底和地面彻底失去了联系。“福布斯-2”于1989年1月29日进入绕火星飞行的轨道,2月12日接近福布斯,并与它同步绕火星运动,其间近距离拍摄了福布斯的照片。可惜“福布斯-2”也于3月27日忽然发生故障,和地面失去了联系,只实现了部分探测目标。

时隔20多年,俄罗斯计划执行更加雄心勃勃的“福布斯”新计划。“按照构想,‘福布斯-土壤’探测器经长途跋涉后先进入环绕火星的轨道,再接近并抵达‘火卫一’,进而以软着陆的方式降落到该卫星的表面上,旋即展开设备提取其土壤样本,然后探测器的一个类似于货舱的装置将携带着土壤样本在火箭的推动下,飞离‘火卫一’返回地球,把样品提供给科学家们进行研究。”中科院空间中心赵华研究员告诉本刊,他是“萤火一号”的科学应用系统总设计师。

这个新计划寄托了俄罗斯航天人员的诸多希望,“能够重建俄罗斯在行星探测领域的信心,之前的失败对大家的打击太大了”。列夫·泽莱尼(Lev Zelenyi)对本刊说,他从2002年开始领导俄罗斯科学院空间研究所。1996年,俄罗斯发射了最后一个火星探测器——火星-96,它包括一个轨道飞行器、两个着陆器、两个表面穿透器。与苏联每次发射两个航天器的做法不同,俄罗斯只能负担起一个航天器。因为经费经常出问题,许多项目参与者在数月内都拿不到薪水。1996年11月16日夜,“火星-96”探测器顺利升空,但是它的第四级助推火箭只喷射了20秒钟就停止了。两小时后,它与地面的联系中断,一切努力都无法挽回这次发射的失败,“火星-96”在一片惋惜声中坠毁在澳大利亚,装载的第一个火星车也随着探测器一起灰飞烟灭。

已逝的俄罗斯科学院空间研究所首席科学家瓦西里·莫洛兹(Vasili Moroz)曾回顾当时的场景:发射当天,“质子”火箭的升空近乎完美,任务广播员在上升到轨道的过程中给出了非常乐观的评价。随后他们才知道,广播员只不过念了事先准备好的稿子而非真实情况。他们当时却以为一切安全,就差喝一杯酒进行庆祝了。随后,他顺便去弹道计算室看看,操作员报告动力装置失败,飞行器留在环绕地球的轨道上。很快,“火星-96”出现在太平洋上空的大气中,坠毁于浩瀚的海洋。可谓是“出师未捷身先死”,于是他们什么酒都没有喝成。

“火星-96”的损失太大了,一切心血都在爆炸的火光中化为乌有。俄罗斯航天部门由此才开始流失员工,一些人在国外找了工作,包括给第一个火星车设计软件的天才。

一次失败和一次位于成功边缘的“福布斯”任务,再加上由欧洲空间局和22个国家参与的“火星-96”任务的彻底失败,浇灭了全世界科学家的热情,磨损了他们数年来对俄罗斯的信任。曾有俄罗斯研究人员说,“火星-96”的失败引起了一些情绪反应,他的国外同事抱怨说每次失败都是因为他们的原因,这让他羞愧难当。

进入新世纪,情况发生了转机,科学经费不再短缺,人才流失也得以控制。“随着上世纪90年代的人才流失,中年人的很多技能和经验不能传授给年轻人,我们有年龄断层,不过我们现在已经有很多年轻专家。老一辈和年轻专家开始谨慎地研究火星和福布斯,而且全世界的科学家们又联合起来了。”Zelenyi告诉本刊。

除了“萤火一号”,还有很多搭顺风车的乘客。其中一位颇不寻常的乘客要数美国行星协会的“生命星际飞行试验”(Living Interplanetary Flight Experiment,简称“LIFE”),希望搭载地球上的一些能生活在极端环境下的微生物,比如阿拉伯芥(Thale cres)、酿造啤酒的酵母菌和一种叫做“科南”的细菌进入太空,研究地球生物在未加防护的条件下能否在外太空长时间存活。

“国际合作是俄罗斯航天的一个传统。”泽莱尼告诉本刊。比如,1984年当苏联发射了“维加(Vegal)1号”和“维加2号”两个金星/哈雷彗星探测器,第二年6月,它们从距离金星约3500公里处掠过,分别向金星大气投放了一个气球和一个软着陆舱,随后探测器受金星重力场的作用,转向另外一条更精确的轨道,在1986年3月和哈雷彗星交会。“这是全球的科学合作,当时飞船携带了超过6个国家的科学仪器,传回了大量的数据,取得了众多成果。这次任务之后,就给我们留下了印象,通过国际合作我们能得到更多东西。”他说。

“自1999年俄罗斯第一个‘福布斯’任务部分成功后,我们仍然相信研究福布斯这样一个原始天体,能够揭开太阳系组成的神秘面纱。” 泽莱尼告诉本刊,“火星是一个寻找人类可能居住点的重要行星,也因为它上面有水的存在就有可能找到生命的迹象,所以我们一直对它念念不忘,尽管以往失败了很多次。”然后他又不忘加上一句,“但火星绝不是俄罗斯航空项目的主要目标,我们的主要活动在金星上进行得非常成功,包括着陆。”

去火星干点什么?

“‘萤火一号’成为这个雄心勃勃大计划中的一员是我们的幸运,无论是乘自己的卫星还是搭载顺风车,只要能获得数据,就是我们寻找的机会。而且这种机会实在太难得,不管是和俄罗斯合作,还是和美国或者欧洲合作,只要有机会我们就要抓住,只要抓住就能获得第一手数据。”吴季告诉本刊。

虽然我国是个航天大国,在世界上第五个发射人造卫星,第三个把人送上太空又安全返回,但是空间科学发展很慢。“第一颗人造卫星发射以后,人类就有了进军太空的能力,具有这个能力以后就要了解太空中的现象和规律,这就是空间科学,主要目的是要产出知识。除此之外还有空间应用,比如对地观测、通讯卫星等等,不产生知识,只是服务。我国对航天大量的投入还是偏重应用,比如天气预报、通信、广播,真正的科学卫星不多。到目前为止,我国只有两个真正的科学计划,一个是2003~2004年和欧洲空间局合作的‘双星探测计划’,我们发射了‘探测1号’和‘探测2号’两颗卫星;另外一个就是‘嫦娥计划’。这两个计划都有一些科学发现,出一些知识性的成果。总体上说,我国的空间科学和作为一个航天大国的地位是不相称的,科学探索活动很少,为人类做的知识性贡献很少。翻开人类探索太空历程中产生的知识,很少有中国人的贡献。虽然我们曾经利用别人的数据进行研究,有一些细枝末节的贡献,但是没有重大成果。我们一直在积极推动中国空间科学的发展,‘萤火一号’就是在这个背景下产生的。”吴季介绍。

2004年,他们从俄罗斯科学院得到消息,“福布斯”项目要拿出一部分资源进行国际合作。他们就开始考虑能搭载什么东西上去,到火星上去干点什么。俄罗斯让给中国的资源只有110公斤,轨道也很特殊。“福布斯探测器”要进入的是火星的赤道轨道,近地点800公里,远地点8万公里,然后再切入福布斯的轨道。二者会一起进入火星轨道,俄罗斯希望一旦被火星引力场捕获,就将“萤火一号”释放出来,“如果带着‘萤火一号’变轨就需要消耗‘福布斯’更多的燃料,它需要先释放出我们的卫星,再单独集中精力变轨”。那么,这样一个火星赤道轨道能做什么呢?

吴季和赵华都没有特殊的火星情结,但是他们眼中的火星仍然是一个丰富多彩的世界。“虽然金星和火星都是地球的近邻,相对来说金星还要近一点,但是金星表面是密集的大气,基本都是二氧化硫,温度也很高,生命存在的迹象很低。相比之下,火星上有生命存在的可能性更高。”吴季说。赵华说:“科学家也是好奇,不然就不会有那么多耐性把自己埋没在铺天盖地的数据和故纸堆里了。我们也想知道火星上有没有水,现在已经知道火星地表下有水存在,那火星上到底有没有生命的迹象呢?我也想知道。”

“但是迄今为止,人类对火星最关注的问题是火星上是否存在生命,几乎所有探测器的探测目标都是针对火星表面的地质特征,近期的探测计划主要是针对火星上是否有水,正在计划的探测器则把目标集中于探测生命迹象。然而,人类对火星的大气环境了解不多,特别是高层大气和电离层。”吴季说。

火星和地球不同,没有很强的固有磁场,因此没有像地球一样的磁层的保护。一旦出现太阳黑子爆发,大量的空间高能粒子将直接轰击火星表面,不像地球磁场能把这些物质隔离在地球磁层之外。“这将为人类未来登陆火星带来严重威胁,人去了以后是否所受的辐射剂量太大,不合适生存?除此之外,空间环境非常重要,比如火星空间中有大量的氧逃逸出去,这些氧从哪里来?逃逸率目前也有争议,按照以往得到的两种数据,一种能够反推出30亿年前,火星上有超过1米深的水,另一种反推出30亿年前,火星上只有几厘米深的水。到底哪一种是正确的?希望我们的测定能够得出结论。火星赤道面大椭圆轨道正好可以针对这些问题开展探测和研究,如果将‘萤火一号’的科学目标定位在火星电离层和空间环境探测,它将成为人类首次瞄准这一领域的火星探测器。”

火星探测提出后出现了不同的声音,有人觉得中国应该把主要精力放在“嫦娥工程”上,如果要去火星也要有自己的能力之后再去火星。“我们国家现在已经很开放,达到一个目的不能总是使用‘中华号’、‘中华牌’,就连我们的‘鸟巢’和国家大剧院也是外国人设计的。对科学目标而言,我们的最终目的是拿到探测数据,产生知识,任何机会都要抓住!”吴季说。

2007年3月26日,中国国家航天局和俄罗斯航天局在国家主席胡锦涛与俄罗斯总统普京见证下签署了正式的合作协议,“萤火一号”计划开始浮出水面。

“合作有风险,但是机会难得”

“萤火一号”的名字是火星古名“荧惑”的谐音,这是一颗110公斤重的微小卫星,发射出去之后,将和“福布斯”一同进行长达10个月的星际旅行。在这个过程中,“福布斯”负责为“萤火一号”供电,“萤火一号”每两周开机一次,加一次电,然后将信号传给“福布斯”,再由“福布斯”传给地面。“我们不会有命令上去,都是由程序开关机。‘萤火一号’的工作人员将根据这些数据来确认它是否处于健康状态。”在被火星引力场捕获后,“萤火一号”将和“福布斯”说“拜拜”,进入围绕火星旋转的大椭圆轨道,打开它那像翅膀一样的太阳能电池帆板,开始自给自足进行围绕火星的翱翔。随后它将围绕火星绕120多圈,进行为期1年多的火星高层大气和空间环境侦查。

在这个过程中,它会面临各种艰难险阻,尤其是7次“长火影”。在这时候,火星将运行到太阳和探测器之间,探测器没有太阳的照射会变得异常寒冷,依靠太阳能电池帆板获取能量的“萤火一号”为了保存能量必须要进入休眠状态,在“长火影”结束后再加电唤醒。这8.8个小时的休眠过程中,“萤火一号”周围的环境温度将降低到零下200摄氏度以下。“如此低的温度会影响到机器的运行,尤其是蓄电池能力下降,冷到一定程度,往蓄电池里充电都很难。”赵华说。如果在此期间机器因为低温损坏,探测器就没有办法复苏,就被“冻死了”。

以往“双星计划”发射的第一颗卫星“探测1号”经历过5.5个小时的阴影,已经是国内探测器所遭遇的最长时间。为了能够安然度过“长火影”期,工程组人员在今年2月进行了一次试验。在模拟的火星环境里,“萤火一号”在由液态氦制冷的超过零下200摄氏度的低温中靠自身电池进入休眠状态,8.8小时后整个卫星被唤醒并正常工作,可谓经历了冰与火的考验。

“可以说影响‘萤火一号’成功的各种问题都排除了,这里只是指‘萤火一号’本身,不包括俄罗斯。俄罗斯那边最大的风险在于它的测控系统能否保证它们正确入轨,这要依靠对轨道测定的精度和‘福布斯’上的发动机点火的喷气的准确度,速度降低,刚好进入火星轨道,被火星引力场捕获。”之前日本第一个火星探测计划发射的卫星“希望号”就飞走了,也是因为变轨时出现的问题。“入轨的那个阶段我们会非常关注,提心吊胆,一旦入轨我们就放心了,从联合飞行器中释放出来相对比较简单。”吴季说。

关于合作的风险问题,中方也不是没有考虑。“虽然合作有风险,但是机会难得,政府也非常支持。火星探测俄罗斯失败的例子很多,但是失败有各种原因,比如‘火星-96’是运载工具可靠性的问题,‘福布斯-1’和‘福布斯-2’主要是测控问题。与美国比,俄罗斯的测控能力偏弱,所以我们说入轨的阶段会非常紧张。这次俄罗斯推迟发射,官方原因说是土壤采集装置的试验没有全部完成,也不排除他们的测控系统没做好充分准备。推迟发射是可以理解的,他们要对我们负责,也要对自己负责,不会再像‘冷战’时期那样非要抢一个先。即便是所有的中国科学家都要等上两年,这两年也可以多分析分析背景数据,多做些理论工作,为迎接新数据做更充分的准备。”

不过,推迟发射还是给中方带来不少麻烦,比如“萤火一号”的寿命需要延长。“原定寿命是入轨后一年,推迟发射实际上还是有影响,我们必须在两年内保证寿命能延期到下次发射,比如3个月开机通电一次,让所有的仪器都工作两三天再关闭,通过这种方式延长寿命。这就像电视机,如果买个电视放两年不用比用两年还糟糕。”

如果两年后“萤火一号”顺利升空,中国就敲开了“火星俱乐部”的大门。“接下来,就要进行自主的火星探测,一切都在论证中,希望能赶上2016年初的发射窗口。目前以中国的运载能力将这样一个小卫星发射到火星去没有问题,但是我国的深空测控能力还没建立起来,这就意味着探测器上路之后我们没法和它说话,我们需要建立自己的深空测控系统。”

至于中国的火星探测计划将会与美、俄有何不同,吴季告诉本刊:“我们在科学探测上尽可能不去重复,尽可能发现新东西。所以我们的计划和美、俄的计划要做到互补,还一定要说清楚到那里去是为什么。是不是还像‘冷战’时期那样,到火星显示一下实力就完了?现在已经不流行这一套了。老百姓也很在意自己交的税钱政府是怎么花的,实际上大家也在关注我们的载人航天计划接下来要干什么,所以即使能够把人送上火星,也要考虑去了之后干什么。有没有可持续发展的计划?从国家立项的角度出发,进行规划的时候也一定要首先回答这些问题,然后再确定是不是去做。老百姓也要多问这样的问题:去了以后呢?”

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