苏俄火星探测史

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说到火星探测,一般人们都会想到美国发射的那些著名的探测器,从水手4号开始,一直到最新的好奇号火星车;另外可能还会提到欧洲空间局的火星快车号。其实作为又一航天大国前苏联(以及现在的俄罗斯)也向火星发射了大量航天器。由于火星探测本身所需要的多次变轨、长持续时间以及远距离飞行,任何微小的差错在途中都可能累计起来酿成大祸,其难度可想而知。或许早年部分出于冷战期间太空竞赛的匆忙,当代则是缺乏成功经验以及资金,连带存在管理问题,苏俄的火星探测计划迄今没有一次取得了完全的成功,可以说是命途多舛。前苏联同时也是世界最早的火星探测器是1960年发射的两架火星1M,它们的目标是飞掠火星。但发射期间,两枚火箭的第三级箭体都因为同样的原因未能成功点火,因此航天器无法进入预定的地球停泊轨道,最后坠入地球大气。两年之后发射的火星1962A与1962B按计划分别应该是飞掠探测器与着陆器,它们一个在进入地球轨道时解体,另一个遭遇了变轨时的火箭爆炸,也都以失败告终。苏俄火星探测史火星1M探测器。(图片提供:NASA)在火星1962A与1962B之间发射的火星1号是第一架成功离开地球轨道的火星探测器。火星1号也是以飞掠火星并拍摄地表照片为目标,同时还兼有记录宇宙线辐射以及微陨星撞击,在火星上搜索有机物的任务,本体结构与早期的金星号类似,它的命运也没有好到哪里去:在正式上路之后,其指向系统有一处气密阀发生了泄漏。翌年3月,可能因为天线指向失灵,探测器与地面失去了联系。不过在此之前它已经采集了一批行星际数据,包括确认地球辐射带的存在、记录下距离地面6000至40000千米处的微陨星密度(每2分钟遭受一次撞击)、测量了行星际磁场(3-4纳特斯拉)、发现了自1959年以来倍增的宇宙线辐射、探测到太阳风等。20世纪60年代发射的火星探测器还包括1964年的探测1964A、探测2号以及1969年发射的轨道器火星1969A以及1969B。这其中只有探测2号离开了地球轨道,其余三者都遭遇了发射事故;而探测2号在中途变轨时也失去了联系。到了70年代,前苏联一心想抢在美国之前发射环绕火星的轨道器,于是在1971年5月陆续发射了宇宙419号、火星2号和火星3号。宇宙419号没能升空,不过火星2号和3号好歹算是取得了部分成功。两架探测器分别在同年11月底和12月初抵达火星,它们都由轨道器和着陆器组成,着陆器也都抵达了火星表面,火星2号还成了第一架登陆火星的航天器——但是由于计算机故障,只是硬着陆撞到表面而已,没能传回数据,而且它进入火星大气层的过程也算不得理想,进入角比计划要大很多。火星3号倒是实现了软着陆,但是好景不长,着陆15秒后,其上的仪器即停止运转。后来的分析表明,两架探测器着陆时火星上正风暴肆虐,这可能是它们双双着陆失败的原因。苏俄火星探测史火星3号探测器。(图片提供:IKI)火星2号的轨道器倒是成功进入了周期18小时、倾角48.9度的椭圆轨道,并且从1971年12月一直工作到了1972年3月,数据传输则持续到了1972年8月。火星3号轨道器则因为出现了燃料泄漏,无法进入预定的周期25小时轨道,只能退而求其次,选择了一条周期12天19小时的轨道。两架轨道器最终发回了60张图片,表明火星上最高的山峰高达22千米,高层大气中存在氢和氧气,还测量出火星地表温度(零下110摄氏度到零上13摄氏度)和气压(0.55到0.6千帕),给出了火星大气水蒸汽含量的数据(地球大气的5000分之一),并绘制了火星地形图。不过美国的水手9号抢在二者之前进入了环绕火星的轨道,因此抢先的目的没能达成。苏俄火星探测史火星3号着陆器。(图片提供:VSM)值得一提的是,火星2号和3号的着陆器都携带了名为PROP-M的火星车。这种火星车很小,重量只有4.5千克,可以用于测量辐射强度和火星土壤成分。按计划在着陆后要使用机械臂将其释放到火星表面上,并通过缆线与母着陆器连接起来。它们的可探测范围受限于缆线长度,只有15米。前苏联又在1973年的发射窗口期间发射了火星4至7号。由于这次轨道排列不佳,无法像1971年那样一次性向火星发射总重接近5吨的载荷,因此它们各有分工:火星4号和5号是轨道器,装备有宽窄视场照相机各一、离子用于测量地表温度的红外辐射计、用于测量大气辐射的光谱仪、用于绘制地表特征的偏振计、用于测量地下介电常数的射电偏振计、用于研究太阳风的等离子体传感器、磁力计和离子捕捉器、用于分析大气密度和结构的光度计以及射电掩星仪、用于搜索大气中氢元素的莱曼α光度计等;6号和7号则是飞掠器加着陆器,携带了全景相机、射电高度计、土壤成分分析仪等,飞掠器上还安装有一系列研究太阳风的设备、掩星仪以及法国提供的太阳辐射计。几架探测器中最成功的是火星5号,它于1974年2月初进入环火星的轨道。不过可能是受到了微陨星的撞击,火星5号的仪器舱在入轨后不久即开始漏气,不到一个月之后即停止了工作。在此之前,它传回了60张图片,还测量了火星夜半球以及昼夜分界线处的温度,此外还发现了火星上的放射性元素以及稀薄的臭氧层。火星4号由于搭载的计算机芯片生产期间存在问题,途中发生了降解,没能按原定计划减速入轨,只从火星一旁飞掠而过。在飞掠期间,它发回了一批图片,还第一次发现了火星夜半球的电离层。在离开火星后,它继续向地球传送了一些行星际数据。火星6号在着陆过程中传回了224秒的大气结构数据,不过在着陆之前切断了联系。可能也是出于芯片问题,火星7号的着陆器过早与母航天器分离,没能进入火星大气。火星7号之后是更为雄心勃勃的火星79计划,目标是在1979年发射探测器,为火星采样并返回地球。由于技术难度过大,这一计划没能变为现实。在20世纪80年代,火星计划被火卫一计划所取代。火卫一计划的目标除了探测火星,还包括近距离考察火星的卫星,前后共有14个国家参与其中。该计划在1988年7月发射了两架探测器,其主体沿袭维加的结构,都由轨道器和火卫一的着陆器组成,备有成象仪、红外光谱仪、中子谱仪、雷达设备、太阳紫外和X射线望远镜等,着陆器上还携带了X射线/α谱仪、地震仪以及加速度计。火卫一1号在中途失去了联系,2号则成功入轨且获取了部分数据,但在释放着陆器之前由于搭载的计算机失灵也失去了联系。苏俄火星探测史火卫一探测器。(图片提供:NASA)后来的分析表明,火卫一1号失败的原因更为离谱:探测器地面测试的必需项目之一是关闭其姿态控制系统。当然,这一操作在实际升空后是不会再次进行的。但由于火卫一1号的测试代码是存储在只读硬件中的,测试时邻近发射窗,时间相当紧迫,没有充分的时间更换硬件,开发人员决定将相关的关闭代码保留,只是实际升空后不再使用它就是了。但是某次发送测控指令时,一字节之差,这段代码被错误地激活,因此探测器彻底失控……苏俄火星探测史火卫一2号拍摄的火卫一照片。(图片提供:IKI)前苏联解体后,俄罗斯又分别在1996年和2011年分别发射了轨道器兼着陆器火星96号以及火卫一着陆器兼采样返回舱火卫一—土壤号,不过二者的发射都以失败告终。接下来俄罗斯的计划是与欧空局合作开发搜索火星生命痕迹的ExoMars,探测器将分别于2016年和2018年发射,火卫一—土壤号的许多仪器可以用在ExoMars上;更远的将来还有旨在采样返回的火星—土壤计划正在讨论中。内容来自 Bo Zhang's Homepage

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