论文部分内容阅读
【编者按】
刚刚过去的2009年是人类登月40周年。为纪念这一壮举,当年阿波罗11号的“首次登月三人组”重新聚在一起。然而在聚会上,三位登月英雄谈得最多的,不是月球,而是火星——他们对“是否应该立即启动载人火星探测计划”这一话题展开了饶有兴致的讨论。
事实上,早在人类登陆月球之初,许多人已将火星看作下一个目的地。如果不那么严格地说,这个梦想已经实现了。只不过在火星上留下脚印的,不是人,而是“机器人”。但对充满好奇心的人类来说,这显然不过瘾。那么,我们为什么要把人送上火星,如何把人送上火星,又面临着哪些难题呢?
【作者简介】
黄吉虎,中国科学技术大学教授,师从于已故著名科学家钱学森,为我国从“东方红一号”卫星到“神舟一号”飞船在内的数十次发射升空做出了重要贡献,是享受国务院政府津贴的著名火箭动力专家。
在晴朗的夜空,火星是天穹中颜色最红的星球。如用望远镜观看,火星表面有色彩的变化和亮暗的条纹。这让人们产生了有火星人耕耘土地与开掘运河的美好幻想。
从1962年11月1日苏联发射“火星1号”探测器、1964年11月5日美国发射“水手3号”开始,全世界向火星发射探测器总共约45次,但其中近20次没有成功,有的不知去向,有的失去联络。
那些成功发射的火星探测器,也都是“有去无回”,虽然搭载在上面的科学仪器传回了大量宝贵的信息,但科学家仍然无法得到哪怕一份火星样本来进行直接研究。即使将来的无人探测器能够返回地球、带回样本,但总也不如亲自上去看看来得真切。人们对火星如此感兴趣,究竟意欲何为呢?
首先就是为了探寻生命起源的奥秘。
已知的图像显示,火星的表面有干涸的河床和湖底,其地表特征表明,巨大的洪水曾经横扫火星表面。特别令人瞩目的是火星上有小峡谷及其支流,蜿蜒穿梭于火星表面的高地,这些峡谷肯定是由河流冲刷而形成的。河流的规模不大,很难想象它们能够在目前酷寒的环境(平均温度摄氏零下58度)下形成,这表明,火星早期可能是一个温暖、湿润、近似于地球的世界。
火星上大部分水蚀峡谷都极其古老,其形成的年代还难以准确推断,但大多数可能形成于火星45亿年历史的第一个10亿年之内。凑巧的是,正好也是在大约40亿年前,生命首次出现在地球上。我们尚不知道生命起源这一奇迹是如何发生的,但必要的条件之一就是要有液态水。我们显然要问一个问题:火星上也出现过生命吗?
在另一个星球上找到生命独立起源的证据将是人类最重大的发现之一。假如奇迹只发生过一次,那便纯属偶然;但是,如果能够证明在同一个恒星系里就发生过两次,再想一想,宇宙中有无数个恒星系,那就意味着这个奇迹并非那么不同寻常,而是一个普遍的现象。
因此,火星能够帮助我们了解我们在宇宙中的地位。如果到达了火星,找到了生命的痕迹,我们就能够了解生命是否普遍存在的基本知识。
同时,由于地球形成以来不断发生剧烈的地质运动,生命起源的线索在地球上已不复存在,也无迹可循了。比起地球来,火星要安静得多,其地表岩石一般都有40亿年的历史。如果火星上也曾有过生命,那么生命起源的证据就像是一部封存于岩石之中的故事,有待于科学家去阅读。
而假如我们发现火星气候一度温暖、湿润,适合生物居住,却没有出现过生命,那我们也可以进一步研究生命起源的必要条件。
此外,探究火星的气候,掌握火星的地质性,弄清楚火星为什么成了现在的样子,是什么导致了火星的巨变,也可以从中吸取有益的理念来维护现今人类生存的地球。当然,改造火星乃至移民火星,也并非完全没有可能。
去火星的路在哪里 要去火星，先要找到“路”。 茫茫太空中，没有谁已经规定好了一条道路，但是人们并不能随心所欲，想怎么走就怎么走，制约的因素有很多，其中最重要的是“引力”和“速度”。 当你把一个球扔向天空，它总会落回地面，那是因为受到地球引力的作用。如果我们力气足够大，能把球以超过7.91千米/秒的速度扔出去，这个球就不会再落回地面了，而最终环绕地球运动（图一）。这个速度被称为“第一宇宙速度”。 如果力气再大些，让球速达到11.18千米/秒，那么它将摆脱地球引力，在太阳引力的作用下画出一道抛物线，最终环绕太阳公转（图二）。这个速度被称为“第二宇宙速度”。 我们已经不难明白，要到达火星，其实就是要把航天器“扔”出去，并让它的运动轨道与火星的公转轨道相交，并且要恰好在这个交点上与火星相遇（图三）。我们可以有几种选择：或者行程尽可能短（如图三中的轨道1），但这需要尽量提高飞行速度，也就势必需要非常强劲的推动力；或者尽可能节省能量，但行程就会比较长（如图三中的轨道2）。 由于火星离地球很远，有1.9亿千米，人们又不可能把火箭做得非常庞大，所以在选择飞往火星的轨道时，首先考虑的因素是尽可能节省能量。理论上已证明，最节省能量的行星际过渡轨道是一个日心椭圆轨道，它在近日点和远日点上分别与地球和目标星的运行轨道相切，所以又称为双切轨道（图四）。这种过渡轨道是霍曼（Hohmann）于1925年首先提出来的，所以也称霍曼轨道。 让我们以美国火星探测车“机遇号”为例，来说明整个飞行过程吧。 “机遇号”搭载的是波音公司制造的“德尔塔Ⅱ”运载火箭。2003年7月7日，随着第一节火箭点火成功，推力就绪，安装在其底部的9枚固体助推器中的6枚点火，运载火箭徐徐升空。60秒钟后，6枚助推器脱落，坠入大海。剩下的3枚在空中点火，燃烧1分钟后也脱离运载火箭。 接着，第一节火箭再次点火，120秒钟后，火箭的加速度达到地球重力加速度的8倍，推进剂耗尽，第一节火箭脱落。 接下去，第二节火箭点火，近5分钟后，第二节火箭关机熄火，此时运载火箭的速度达到每秒760米。经过15分钟的自由飞行后，第二节火箭再次点火，在120秒钟之内，把运载火箭的飞行速度提高到每秒900米。至此第二节火箭也完成任务，与运载火箭脱离。 强劲的第三节火箭点火启动了。90秒急加速之后，航天器与燃料耗尽的第三节火箭分离。此时航天器的速度已经超越第二宇宙速度，沿着“双切轨道”踏上了奔向火星的征途。 此后，航天器基本上是在一种无动力的状态下依靠惯性和星体引力飞行，随“身”携带的少量燃料仅仅用于进行几次轨道调整，以确保正确的航向。经过202天的飞行，它终于在2004年1月25日成功登陆火星。其轨道如图五所示。 我们既然找到了“路”，而且已经把探测器成功地送上了火星，那为什么还不马上开展载人火星探测呢？别急，美好的憧憬面前，还摆着许多巨大的难题。（未完待续）
刚刚过去的2009年是人类登月40周年。为纪念这一壮举,当年阿波罗11号的“首次登月三人组”重新聚在一起。然而在聚会上,三位登月英雄谈得最多的,不是月球,而是火星——他们对“是否应该立即启动载人火星探测计划”这一话题展开了饶有兴致的讨论。
事实上,早在人类登陆月球之初,许多人已将火星看作下一个目的地。如果不那么严格地说,这个梦想已经实现了。只不过在火星上留下脚印的,不是人,而是“机器人”。但对充满好奇心的人类来说,这显然不过瘾。那么,我们为什么要把人送上火星,如何把人送上火星,又面临着哪些难题呢?
【作者简介】
黄吉虎,中国科学技术大学教授,师从于已故著名科学家钱学森,为我国从“东方红一号”卫星到“神舟一号”飞船在内的数十次发射升空做出了重要贡献,是享受国务院政府津贴的著名火箭动力专家。
在晴朗的夜空,火星是天穹中颜色最红的星球。如用望远镜观看,火星表面有色彩的变化和亮暗的条纹。这让人们产生了有火星人耕耘土地与开掘运河的美好幻想。
从1962年11月1日苏联发射“火星1号”探测器、1964年11月5日美国发射“水手3号”开始,全世界向火星发射探测器总共约45次,但其中近20次没有成功,有的不知去向,有的失去联络。
那些成功发射的火星探测器,也都是“有去无回”,虽然搭载在上面的科学仪器传回了大量宝贵的信息,但科学家仍然无法得到哪怕一份火星样本来进行直接研究。即使将来的无人探测器能够返回地球、带回样本,但总也不如亲自上去看看来得真切。人们对火星如此感兴趣,究竟意欲何为呢?
首先就是为了探寻生命起源的奥秘。
已知的图像显示,火星的表面有干涸的河床和湖底,其地表特征表明,巨大的洪水曾经横扫火星表面。特别令人瞩目的是火星上有小峡谷及其支流,蜿蜒穿梭于火星表面的高地,这些峡谷肯定是由河流冲刷而形成的。河流的规模不大,很难想象它们能够在目前酷寒的环境(平均温度摄氏零下58度)下形成,这表明,火星早期可能是一个温暖、湿润、近似于地球的世界。
火星上大部分水蚀峡谷都极其古老,其形成的年代还难以准确推断,但大多数可能形成于火星45亿年历史的第一个10亿年之内。凑巧的是,正好也是在大约40亿年前,生命首次出现在地球上。我们尚不知道生命起源这一奇迹是如何发生的,但必要的条件之一就是要有液态水。我们显然要问一个问题:火星上也出现过生命吗?
在另一个星球上找到生命独立起源的证据将是人类最重大的发现之一。假如奇迹只发生过一次,那便纯属偶然;但是,如果能够证明在同一个恒星系里就发生过两次,再想一想,宇宙中有无数个恒星系,那就意味着这个奇迹并非那么不同寻常,而是一个普遍的现象。
因此,火星能够帮助我们了解我们在宇宙中的地位。如果到达了火星,找到了生命的痕迹,我们就能够了解生命是否普遍存在的基本知识。
同时,由于地球形成以来不断发生剧烈的地质运动,生命起源的线索在地球上已不复存在,也无迹可循了。比起地球来,火星要安静得多,其地表岩石一般都有40亿年的历史。如果火星上也曾有过生命,那么生命起源的证据就像是一部封存于岩石之中的故事,有待于科学家去阅读。
而假如我们发现火星气候一度温暖、湿润,适合生物居住,却没有出现过生命,那我们也可以进一步研究生命起源的必要条件。
此外,探究火星的气候,掌握火星的地质性,弄清楚火星为什么成了现在的样子,是什么导致了火星的巨变,也可以从中吸取有益的理念来维护现今人类生存的地球。当然,改造火星乃至移民火星,也并非完全没有可能。
去火星的路在哪里 要去火星，先要找到“路”。 茫茫太空中，没有谁已经规定好了一条道路，但是人们并不能随心所欲，想怎么走就怎么走，制约的因素有很多，其中最重要的是“引力”和“速度”。 当你把一个球扔向天空，它总会落回地面，那是因为受到地球引力的作用。如果我们力气足够大，能把球以超过7.91千米/秒的速度扔出去，这个球就不会再落回地面了，而最终环绕地球运动（图一）。这个速度被称为“第一宇宙速度”。 如果力气再大些，让球速达到11.18千米/秒，那么它将摆脱地球引力，在太阳引力的作用下画出一道抛物线，最终环绕太阳公转（图二）。这个速度被称为“第二宇宙速度”。 我们已经不难明白，要到达火星，其实就是要把航天器“扔”出去，并让它的运动轨道与火星的公转轨道相交，并且要恰好在这个交点上与火星相遇（图三）。我们可以有几种选择：或者行程尽可能短（如图三中的轨道1），但这需要尽量提高飞行速度，也就势必需要非常强劲的推动力；或者尽可能节省能量，但行程就会比较长（如图三中的轨道2）。 由于火星离地球很远，有1.9亿千米，人们又不可能把火箭做得非常庞大，所以在选择飞往火星的轨道时，首先考虑的因素是尽可能节省能量。理论上已证明，最节省能量的行星际过渡轨道是一个日心椭圆轨道，它在近日点和远日点上分别与地球和目标星的运行轨道相切，所以又称为双切轨道（图四）。这种过渡轨道是霍曼（Hohmann）于1925年首先提出来的，所以也称霍曼轨道。 让我们以美国火星探测车“机遇号”为例，来说明整个飞行过程吧。 “机遇号”搭载的是波音公司制造的“德尔塔Ⅱ”运载火箭。2003年7月7日，随着第一节火箭点火成功，推力就绪，安装在其底部的9枚固体助推器中的6枚点火，运载火箭徐徐升空。60秒钟后，6枚助推器脱落，坠入大海。剩下的3枚在空中点火，燃烧1分钟后也脱离运载火箭。 接着，第一节火箭再次点火，120秒钟后，火箭的加速度达到地球重力加速度的8倍，推进剂耗尽，第一节火箭脱落。 接下去，第二节火箭点火，近5分钟后，第二节火箭关机熄火，此时运载火箭的速度达到每秒760米。经过15分钟的自由飞行后，第二节火箭再次点火，在120秒钟之内，把运载火箭的飞行速度提高到每秒900米。至此第二节火箭也完成任务，与运载火箭脱离。 强劲的第三节火箭点火启动了。90秒急加速之后，航天器与燃料耗尽的第三节火箭分离。此时航天器的速度已经超越第二宇宙速度，沿着“双切轨道”踏上了奔向火星的征途。 此后，航天器基本上是在一种无动力的状态下依靠惯性和星体引力飞行，随“身”携带的少量燃料仅仅用于进行几次轨道调整，以确保正确的航向。经过202天的飞行，它终于在2004年1月25日成功登陆火星。其轨道如图五所示。 我们既然找到了“路”，而且已经把探测器成功地送上了火星，那为什么还不马上开展载人火星探测呢？别急，美好的憧憬面前，还摆着许多巨大的难题。（未完待续）