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“天问一号”成功入轨火星,中国深空探测怎么走?| 专访

 

 



- 编者按 -
2021年2月10日19时52分,中国发射的火星探测器 “天问一号” 按照预设程序成功进入环绕火星轨道。这是中国火星探测的重要一步。在此之前的2月9日晚,阿联酋的火星探测器“希望号”也确认成功进入火星轨道。预计一周之后,美国的火星车“毅力号”将在18日着陆火星。
“天问一号” 带了哪些仪器到火星去,将要做什么样的研究?设计 “天问一号” 的科学家们最想解开哪些火星之谜?我们应该如何看待空间领域的国际竞争与合作?
本文中,“天问一号” 首席科学家潘永信和有效载荷系统负责人王赤接受采访,讲述了中国火星探测工程的来龙去脉,分享了他们对太空探索和科学研究的期望。该文英文版1月首发于《国家科学评论》(National Science Review, NSR )。


 

撰文 | 赵维杰

 

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每隔大约26个月,地球与火星之间的距离会达到最小。这个时间窗口,就是人类探测火星的最佳时段。2020年7月,有三台火星探测器从地球启程前往火星,分别是阿联酋的 “希望号”、中国的 “天问一号” 和美国的  “毅力号”。如果一切顺利,它们将于2021年2月到达火星轨道,并开始科学探测。

 

“天问一号” 是中国自主发射的第一台火星探测器,由轨道器、着陆器和巡视器组成,共携带有13台有效载荷,将完成 “绕、落、巡” 三项任务,对火星的地表地形、矿物组成、水冰分布、浅层结构、大气环境、磁场分布等进行探测。在这次访谈中,我们采访了 “天问一号” 首席科学家潘永信院士和 “天问一号” 有效载荷系统负责人王赤院士,共同探讨火星探测中的科学问题,以及中国火星探测的布局与方向。


01
火星探测探什么?

NSR:所有火星探测都试图回答一个基本问题:火星是什么样子的?它现在是什么样的?过去是什么样的?是否存在着或者曾经存在过生命?在您看来,关于火星,最关键的科学问题有哪些?

潘永信:星是地球的邻居,和地球有很多相似之处,所以人们很想去了解它到底是什么样子的,也很想知道,地球和火星这一对原本可能非常相似的姊妹星,是如何演化为今天这样有如此巨大差别的两颗星球的。火星的宜居性问题是火星探测中的重大科学问题,涉及火星上是否曾经有过生命,火星是否有过海洋,火星内禀磁场是何时消失的,火星大气和水逃逸的机制,火星内部构造等,这些都是关键科学问题。

 

王赤:没错。火星是太阳系中与地球最相像的行星,这是我们如此关注它的原因所在。了解火星对于了解地球、了解太阳系的演化历史有非常重要的作用。

 

从另外一个角度上看,火星也是最有希望成为人类 “第二家园” 的候选行星。美国火星探测的重点一直都是寻找水和生命迹象。如果能够找到地外生命,或者能够在火星上创造出适合生存的环境,那将是能够影响人类命运的重要问题。

 

NSR:我们经常听说,火星上曾经存在过大量的水,现在也还有水,而且可能存在过生命。在这些说法中,有哪些是已经在科学上得到证实的?有哪些还只是假说和猜测?

 

潘永信:火星探测器已观测到在火星的两极存在冰盖。根据雷达探测的结果,在一些中低纬度地区的地下存在水冰沉积。

 

最近有研究者认为,火星上现在也存在液态水,比如2018年意大利科学家团队发现在南极的冰盖下存在液态水,但是这个观点还存在争议。

 

目前看来,有几方面的证据表明火星上曾经存在过大量的液态水。第一是地形地貌的证据,在火星的北半球平原周边,地形地貌分布特征支持古海洋假说,存在许多古河道、古冲积扇、以及古海岸带的地貌。第二是同位素的证据,氢同位素的D/H比分析结果显示,火星上曾经存在过大量的水,后来逃逸了。根据同位素数据估算,科学家认为火星北半球可能存在过超过100米深的海洋。第三是火星车探测发现了古湖沉积地层和含水矿物的证据,发现了碳酸盐、硫酸盐、赤铁矿和层状硅酸盐矿物,这些矿物是需要水的参与才能形成的。科学家们已经基本上达成共识,认为火星上曾经存在过大量的地表液态水。这一次美国 “毅力号” 的着陆点选在了一个可能的古河道三角洲,尝试在那里寻找生命痕迹。

 

关于生命。现在还没有确切证据表明火星上有生命,但是有一些间接证据或线索。比如,有机质和甲烷。在火星,人们观测到了甲烷的季节性变化;在地球上,大部分甲烷都是由微生物产生的,据此推测这种季节性甲烷变化可能也是火星微生物作用的结果。但是,这种季节性变化也可以由非生命的化学过程所解释。所以,火星上是否存在生命还是一个并不确定、需要进一步探索的问题。

 

王赤:潘老师说的很全面。关于火星上的现存液态水,我个人认为相关的证据是比较充分的。对同一区域在不同时刻的遥感图像进行比较,并结合光谱分析,我们可以看到有些地方看起来像是冰,但是其实更可能是粘度很高的高浓度卤水。在地下的土壤中,存在液态水的可能性也很大。“天问一号” 的一个重要探测目标,就是去寻找水冰。

 
02
“天问一号” 的目标与特色

NSR:和之前各国的火星探测任务相比,“天问一号” 有什么特别之处?

王赤:我们的探月工程是按照 “绕-落-回” 三步,一步一个脚印向前推进的。但是火星探测不是这样,“天问一号” 将同时完成绕、落、巡三项任务,在整体和局部的不同尺度上对火星进行探测。这是 “天问一号” 任务的一大亮点。

 

具体来讲,轨道器,也就是环绕火星的人造卫星,可以对火星整体进行全球性的探测;而巡视器,也就是火星车,可以对着陆区和巡视区进行局部的精确探测。这样、宏观和局部配合的观测方式,可以让我们更全面和细致地获取信息,包括火星上水冰分布的情况、火星表面和大气中的磁场等物理场的分布等等。

 

NSR:“天问一号”上搭载了哪几类载荷?将会获得哪些科学成果?

 

王赤:“天问一号” 一共搭载了13台载荷,大致可以分为4类。

 

第一类是光学载荷,也就是各种相机,用来对火星进行全球和局部的成像。
第二类是各种雷达,用来探测火星浅层的结构。
第三类是光谱仪,用来分析火星土壤和矿物的成分。

第四类是大气和空间环境的探测仪器,用来探测火星的磁场、粒子辐射和气象环境等。

 

对应于这些载荷,我们可能会得到的探测结果也包括几个方面:

 

首先,利用相机成像,我们可以进一步了解火星的地形地貌,了解风、水流、火山运动、天体撞击等事件对火星表面形貌的塑造过程。
其次,我们可以探测火星地表和地下的水冰分布和储量,也可以研究火星液态水的逃逸过程。
第三,我们可以进一步了解火星土壤的成分、分布和特征,这有助于对火星环境演化历史的研究。

第四,我们可以对火星的空间和大气环境进行更全面和详细的探测,将可以得到比以往更具系统性的结果。

 

NSR:在这些可能取得的探测成果中,有哪些是您个人特别期待的?

 

潘永信:我认为任何直接的观测结果和第一手数据都很值得期待。尽管人类已经有过数次成功的火星探测,但是对于火星来讲,有直接的观测结果区域很少,特别是巡视探测依然很有限。因此,“天问一号” 将实现我国首次对火星的直接探测,尤其是可获得天地联测的系统性数据,都是很宝贵的科学数据。

 

王赤:确实如此。我个人很感兴趣的一个问题是火星的磁场。我们推测,火星上曾经存在过与地磁场类似的全球范围的磁场。磁场可以阻止大气逃逸,也可以防御太阳风,从而保护行星上可能存在的生命。但是在过去的某一个时间,火星内部的运动停止了,磁场也消失了,于是火星变成了一颗年老的、不活动的星球。我非常希望能够获得关于火星磁场演化历史的更多信息。

 

NSR:和 “嫦娥四号” 不同,“天问一号”的着陆器上没有安装任何载荷。这是为什么呢?

 

王赤:“天问一号” 的着陆平台相对比较简单,它的主要作用是承载火星车安全着陆,为了保证这个基本任务的完成,我们没有对着陆平台做出科学探测方面的要求,它也并不具备安装科学载荷的相应条件。

 

NSR:您对 “天问一号” 任务的成功有信心吗?我国还有哪些后续的火星探测计划?

 

王赤:我很有信心。而且我们的信心建立在前期扎实的技术准备之上,不是盲目的自信。“天问一号” 是没有备份星的,所以如果这一次失败了,我们不太可能在两年之后重复同样的任务。但是对于航天探测来说,成功是经验,失败也是宝贵的财富。在彻底归零、寻找失败原因的过程中,我们的技术会变得更加扎实可靠。

 

后续,我们还有到火星采样返回的计划。无论 “天问一号” 是否完全成功,我们的火星探测计划都一定会继续进行下去。

 

03
项目的组织与推进

NSR:“天问一号” 的科学目标和载荷配置是如何确定的?

王赤:中国的月球和深空探测计划是作为一个整体来进行规划的。国家航天局组织了全国性的科学委员会,由中科院牵头,组织国内外的几百名科学家,对各种可能的探测项目分别进行论证。在最终制定的规划中,我们暂时搁置了对太阳和金星的探测,而对月球、火星、木星系、小行星目标,我们制定了详细的科学目标和探测计划。

 

NSR:这个规划还会继续改进吗?我们将来是否可能再去探测金星或者其他天体?

 

王赤:当然,我们现在的规划制定到2030年左右。将来一定还会制定更加长远的计划。而且,在国家层面的计划之外,中科院也单独设立了空间科学先导专项,可以部署一些创新性比较强的小型空间探测项目。对金星和太阳系边界的探测,都在我们目前的论证范围之内。

 

NSR:2020年11月,在成都召开了 “首次火星探测任务有效载荷探测技术与数据处理第四次学术研讨会”,这个系列的会议对我国火星探测任务的推进起到了怎样的作用?

 

潘永信:我认为这是一个非常重要的系列会议。它把火星探测的科学家团队、工程师团队和管理团队聚集在一起,对从科学问题到载荷再到科学数据的许多具体问题进行反复的探讨和交流。在2020年11月的成都会议上,专家们围绕 “天问一号” 的载荷,在火星地质、地球物理、空间科学等几个方面分别进行了充分的讨论,同时也探讨了如何才能更好地利用将要获得的数据来开展科学研究,做出好的成果。

 

王赤:我参加了这个系列的前三次会议。我认为这个会议的主要作用有两方面。第一,它为我们的管理团队、工程团队和科学团队提供了一个沟通和交流的平台。让科学家们真正了解工程师制造的载荷的工作原理和性能指标,只有这样,科学家们才能正确理解和分析最终拿到的数据。第二,要在拿到数据之后尽快将数据转化为成果,我们需要提前做一些理论模型和数据分析方法上的准备。这个会议提供了交流平台,来推动这些前期工作。

 

04
前人的经验:如何做得更好?

NSR: 美国的 “毅力号” 也和 “天问一号” 同期前往火星。比较有意思的一点是,毅力号上搭载了一架无人机。您觉得无人机将会成为地外行星探测中的一种常规载荷吗?

王赤:这台小型的自主飞行直升机是 “毅力号” 的一大创新点。火星上的空气比较稀薄,但是也可以支持无人机飞行。而无人机刚好可以在卫星的大尺度探测和巡视器的小尺度探测之间,补充中尺度探测的空白。和地面巡视器相比,无人机可以走得更快、更远,也可以进入更加陡峭、复杂的地形进行探测。因此,我认为无人机探测会成为未来火星探测活动中的一个非常重要的手段。

 

NSR:美国有非常丰富的火星探测经验,他们的探测活动技术先进、规模也很大。您认为他们有哪些做得很好、值得我们学习的成功经验?

 

王赤:有几个方面是值得我们学习的。第一方面,美国的火星探测有稳定、长期的规划,每一步都有非常明确的路线图。要做好火星探测,长期稳定的规划和支持是最基本的保障。

 

第二方面,美国火星探测的科学目标非常明确,其实就是要看火星上是不是存在着,或者曾经存在过生命。为了达到这个最终的目标,他们先是follow the water,然后再去直接探测生命迹象。他们非常明确地选择了一个非常重要的科学目标。而且,美国有非常强大的行星科学研究队伍,在火星研究方面有很丰富的前期科学积累。相对来讲,我国还缺少真正的 “火星科学家”。

 

第三方面,美国的载荷技术非常先进。和美国相比,我国许多载荷的性能指标还有相当大的差距。

 

从这几个方面来看,我们还有很多需要提高的地方。

 

潘永信:我赞同。我们确实缺少长期规划,也缺少稳定的科学研究人才队伍。过去几年来,中科院和高校在积极推动我国的行星科学一级学科建设,这是重要的举措,必须培养出一批优秀的行星科学研究者,在未来几十年中持续、稳定地推动我国的行星科学研究。只有这样,我们的行星探索才能取得更多、更大的科学成果。

 

工程团队和科学团队的交流、融合也非常重要。美国 “勇气号” 和 “机遇号” 首席科学家史蒂夫·斯奎尔斯撰写了《登陆火星》一书,他在书中描写了他与工程师团队之间的一些交流过程,以及双方是如何为兼顾科学目标和工程目标而做出努力的。我们需要加强科学团队、工程团队和管理团队之间的交流和协作。

 

NSR:NASA在数据公开方面做得很好,我们的情况如何?

 

潘永信:制订和完善数据公开相关的规范和制度很重要,在成都的会议上,也有很多相关讨论。要保证数据的可靠性、规范性,并按照规定流程将数据及时发布给研究者。从科学目标实现角度来说,这是大家共同诉求。

 

王赤:现阶段,美国空间探测数据的规范性、公开性和公开速度是最好的。我觉得这有几方面的原因,一方面他们有非常完善的知识产权保护规范,所有数据的使用者都会对数据进行合理的引用和致谢,另一方面,他们的核心科学团队实力雄厚、非常自信,他们欢迎所有研究者利用这些数据进行研究,同时也相信最核心的研究成果一定会出自核心团队本身。

 

潘永信:确实如此。优质的观测数据可吸引更多科学家加入到核心科学研究团队,而这些科学家又可以推动下一步的探测计划,获得更多探测数据,最终形成正向的反馈,提高我国行星探测和行星科学研究的整体水平。

 

NSR:2020年有三台探测器前往火星。许多其他的国家、组织和公司也都有火星探测计划。您如何看待各国之间的竞争与合作?

 

王赤:从科学探索的角度来说,国际合作是大势所趋。探索地外生命、寻找第二家园是全人类的共同理想,而国际合作可以分摊成本、共享数据,也可以在技术上取长补短、降低风险。因此我认为,虽然现阶段各国之间有竞争,但是长期来看,人类一定会在空间探索中携起手来。

 

潘永信:没错。而且对于国际合作,中国深空探测一直倡导和保持着开放的态度。

 

05
参与者的感受与期望

NSR: 在火星探测项目中,两位老师有哪些感受和期望?

王赤:我在2007年就开始参加中国的火星探测项目。当时俄罗斯开展了 “火卫一土壤计划”(Phobos-Grunt),打算到火卫一采样返回。中国与俄罗斯合作,研制了 “萤火一号” 卫星,计划搭乘俄罗斯的火箭,一起前往火星。但是在2011年,这个计划在发射过程中发生意外,“萤火一号” 只到达了地球轨道,没能前往火星。

 

而现在,中国已经有了自己的长征五号大型运载火箭,也建设了自己的深空测控网,终于可以完全依靠自己来进行火星探测项目。所以,在参与火星探测的过程中,我最大的收获和感触是,我们的科技发展一定要做到自立自强。

 

潘永信:2020年7月23日,我和王赤主任在文昌发射场观看了 “天问一号” 的发射。看着长征五号火箭带着 “天问一号” 飞上天空,真的非常激动,更充满了期待。能够参与首次火星探测工程,对我来说是使命与责任。非常希望能和科学家团队一起,静下心来,一步步把火星研究越做越好。非常期待 “天问一号” 能够走好每一步,能够顺利达到火星,接下来圆满完成 “绕、落、巡” 的各项任务。也非常希望我们后续的行星探测计划都能顺利进行,让我们通过认识我们的邻居,更好地认识我们的地球家园。

 

 原文链接:

Tianwen-1 and China's Mars exploration program
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab001

 

制版编辑 卢卡斯



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