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登陆火星:美国与前苏联太空探索的噩梦

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作者 | 小小

出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163) 

纵观历史,人类对火星的好奇从未停止。从上世纪60年代以来,多个国家前后已经进行了共几十次的火星探索任务,但成功登陆的寥寥无几。

到目前为止,只有美国和前苏联成功将探测器送上了火星。其中,美国有八次登陆成功纪录,前苏联也曾在1971年短暂成功登陆。不过,这两国的成功经验也是由一次次的失败铺垫而来的。在他们发射的探测器中,绝大多数以失败告终。对于美国和前苏联来说,火星简直就是“噩梦”一般的存在。

探测器首次飞越火星

人类对火星的向往,从太空探索初期就开始了。当时,前苏联刚刚于1957年向太空发射了首颗人造卫星,仅仅三年后,就把目光转向火星。在20世纪60年代,前苏联曾多次尝试向火星发送探测器,美国宇航局(NASA)也很快就推出了水手3号(Mariner 3)。不过,在最初的几次任务中,探测器都没能成功接近火星。

1960年10月10日,前苏联向火星发射了第一枚探测器Marsnik 1。紧接着,就在首次发射4天以后,第二枚名为Marsnik 2的探测器也发射升空。然而这两枚火星探测的先行者却连地球轨道都没能到达,就在发射过程中发生爆炸。

1962年10月24日,前苏联发射了第三枚火星探测器卫星22号,目标是飞越火星。然而由于发射探测器的火箭存在严重的问题,导致其在到达地球轨道后不久爆炸。

1962年11月1日,前苏联又发射了火星1号,计划飞越火星。幸运地是,这枚探测器成功进入了前往火星的轨道,并且计划于1963年6月19日到达火星。然而在飞行5个月、距离地球1.06亿千米远时,探测器上的无线电发生故障,与地球永远失去了联系。

1962年11月4日,前苏联的火星探测器卫星24号升空,同样计划飞越火星。然而,历史总是惊人地相似。这枚探测器虽然成功进入了地球轨道,但当它改变方向前往火星轨道时,火箭未能成功点火,两个月后堕入地球大气层烧毁。

1964年,美国也先后向火星发射了两枚探测器,分别是水手3号(Mariner 3)和水手4号(Mariner 4)。其中,水手3号于11月5日发射升空,计划飞越火星。这是美国发射的第一枚火星探测器,然而发射仅仅一小时后,太阳能电池板就出现问题,探测器的保护外壳未能按预定计划与探测器分离,导致探测器偏离轨道,最终发射失败。

但是,水手4号的表现却很出色。这枚探测器于1964年1128日发射升空,并于1965年7月14日首次飞越火星。于是,它成为了有史以来第一枚成功到达火星附近并发回数据的探测器。水手4号向地球发回了21张照片,此后又在太阳轨道上环绕了三年对太阳风进行探测。


:水手4号飞越火星时拍摄的照片

水手4号发射两天后,也就是1964年11月30日,前苏联再次向火星发射了探测器Zond 2,但是这枚探测器同样以失败告终。它虽然到了火星附近,但不能向地球发回任何数据。

1969年,NASA向火星发射了水手6号(Mariners 6)和水手7号(Mariners 7)。这两枚探测器都到达了火星,携带有更先进的仪器和通讯设备,并发回了几十张照片。好巧不巧,这两个探测器都恰好飞过火星的陨石坑区域,这让天文学家们误以为火星跟月球长得差不多。

前苏联也于1969年向火星发射了两枚探测器,然而这甚至比此前的情况更加糟糕,第一枚探测器火星1969A在发射7分钟后因发动机故障发生爆炸,而火星1969B发射后不到1分钟就坠向了地面。

1971年,美国向火星又发射了两枚探测器,尝试进入火星轨道,环绕火星飞行,以获取火星的高清照片。5月8日,NASA的水手8号(Mariner 8)在发射过程中以失败告终,坠入大西洋。紧接着,5月30日,水手9号(Mariner 9)发射升空,成为了有史以来第一枚成功进入环绕火星轨道的探测器,取得了空前的成功。它在火星轨道上工作了将近一年之久,发回了7329张照片,包含了火星表面超过80%的部分。

首次登陆火星表面

前苏联在1971年向火星发射了三枚探测器。5月10日,前苏联发射宇宙419号(Kosmos 419),并进入了地球轨道。按照计划,这枚探测器应该在地球轨道上停留1.5小时,然后点火向火星进发,但是由于人为失误,结果它的计时器要等上1.5年才向火箭发出这个点火指令。

火星2号和火星3号是前苏联当年发射的另外两枚火星探测器,它们与宇宙419号的设计几乎完全相同,分别于5月19日和5月28日发射升空,火星2号着陆器于112日到达火星,但不久便与地球失去了联系。火星3号于12月2日抵达,成为了有史以来第一个成功在火星表面着陆的探测器。但不幸地是,它仅仅火星上工作了大约20秒,甚至没能发回一张照片,就与地球失去了联系。


:前苏联火星3号登陆器

随后,前苏联又陆续发射了四枚探测器,取得了部分成功。

火星4号于1973年7月21日发射升空,火星5号于7月25日发射升空,它们分别于1974年2月10日和2月12日到达火星附近。其中,火星4号没能成功进入火星轨道,而火星5号则在进入火星轨道拍到世界上第一张火星彩色照片后停止工作。

火星6号和火星7号都携带有轨道器和着陆器,它们分别于1973年8月5日和8月9日发射升空,然后分别于1974年3月9日和3月12日到达火星附近。其中,火星6号的着陆器成功进入了火星大气层并打开了降落伞,但着陆器被撞击摧毁。而火星7号的着陆器“成功”错过了这颗行星。

前苏联探测器成功登陆火星后,美国在1975年向火星发射了两对轨道器和着陆器。海盗1号和海盗2号都于1976年抵达火星附近,并在轨道器仍在上方工作的情况下将着陆器送到了地表。这两个探测器都持续工作了数年,并向地球传回了大量信息,这也是人类首次对火星的深入探索。

20世纪80年代,前苏联曾两次尝试探测火星的卫星火卫一(Phobos),但两次任务都以失败告终。1991年,前苏联解体,其太空计划由俄罗斯和乌克兰继承。俄罗斯航天局拿下接力棒,于1996年11月16日发射了火星96号任务。然而,探测器进入地球轨道后未能成功点火进入前往火星的轨道,不久后坠入太平洋。

首个飞越火星的探测器水手4号”

在人类探索火星的进程中,有两个探测器堪称是“大功臣”,其中之一就是NASA的水手4号。它是第一个成功飞越火星并传回火星表面照片的探测器。它设计的主要目的是对火星进行近距离的科学观测,并将观测数据传回地球,其他目标是在火星附近进行力场和粒子测量,为以后的星际飞行提供经验。


:NASA水手4号火星探测器

水手4号飞船由八角形的镁框架组成,横跨对角线长127厘米,高45.7厘米。四块太阳能电池板连接到框架的顶部,端到端跨度为688厘米,包括从两端延伸的太阳能压力叶片。框架顶部还安装了直径116.8厘米的高增益抛物面天线。天线旁边的223.5厘米高的桅杆上,则安装有全向低增益天线。

探测器的总高度为289厘米。在底部中心,电视摄像机安装在扫描平台上。八角形的框架容纳了电子设备、电缆、中段推进系统以及姿态控制气体供应和调节器。大多数科学实验仪器都安置在框架外面。除了电视摄像机,其他科学仪器还包括磁力计、尘埃探测器、宇宙射线望远镜、俘获辐射探测器、太阳等离子体探测器和电离室/盖革计数器。

电力由四块176 x 90厘米太阳能电池板组成,包括28224块太阳能电池,可以在火星提供310瓦电力。一个可充电银锌电池用于后备电源。单推进剂联氨用于推进,通过安装在八角形结构一侧的4喷气叶片式矢量控制222-N发动机。姿态控制由安装在太阳能电池板末端的12个冷氮气喷嘴和3个陀螺仪提供。太阳能压力叶片,每个面积0.65平方米,连接在太阳能电池板的尖端。位置信息由四个太阳传感器、一个地球传感器、一个火星传感器和一个Canopus传感器提供。

数据可以存储在容量为524万比特的磁带上,以便稍后传输。所有操作均由命令子系统控制,可处理29个直接命令词或3个中途动作量化词命令中的任何一个。中央计算机和定序器使用38.4 kHz同步频率作为时间基准来操作存储的时序命令。温度控制是通过使用安装在六个电子组件上的可调百叶窗、多层绝缘毯、抛光铝屏和表面处理来实现的。

经过7个半月的飞行,包括1964年12月5日的一次中途机动,水手4号于1965年7月14日和15日飞越火星。当时距离火星表面最近9846公里,距离地球2.16亿公里,以相对于火星约7公里/秒(相对于地球1.7公里/秒)的速度移动。飞越过程中拍摄的图像被存储在机载磁带中。录音图像在信号重新采集和控制后约8.5小时开始向地球传输,一直持续到8月3日。所有图像都传输了两次,以确保没有数据丢失或损坏。

水手4号成功执行了所有预定活动,并传回了从发射到1965年10月1日期间所有有用的数据,当时它距离地球3.092亿公里,天线暂时停止了信号采集。1966年5月3日重新建立了间歇性遥测联系,显示航天器和仪器正在运行。全部数据采集工作于1967年底恢复。

9月15日,宇宙尘埃探测器在15分钟内记录到17次信号,显然遇到了小型流星雨,于是它暂时改变了航天器的姿态,并可能轻微损坏了隔热罩。12月7日,姿态控制系统的气体供应耗尽,12月10日和11日,共记录到83次微流星体撞击,导致姿态摄动和信号强度下降。1967年12月21日,水星4号与地球的通信终止。

水手4号任务传回的总数据为520万比特。除了电离室/盖革计数器在1965年2月失效和等离子体探针在1964年12月6日因电阻器故障而性能下降之外,所有的实验都运行得很成功。返回的图像显示了一个类似月球的陨石坑地形。据估计,火星地表大气压为4.1至7.0毫巴,白天温度为零下100摄氏度,没有检测到磁场,得出的结论是太阳风可能与火星大气直接相互作用,大气和表面完全暴露在太阳和宇宙辐射之下。

水手4号任务的总费用估计为8320万美元。水手系列探测器(水手1号到水手10号)的研究、发射和支持费用总额约为5.54亿美元。  

登陆火星“火星3号”

与水手4号不同的是,前苏联火星3号是人类史上第一艘在火星上成功软着陆的航天器。火星3号和火星2号任务由相同的探测器组成,每个探测器都由轨道器和着陆器组成。火星3号着陆器的主要科学目标是在火星上进行软着陆,从火星表面传回图像,并返回有关气象条件、大气成分以及土壤机械和化学性质的数据。 

火星3号着陆器安装在与推进系统相对的轨道器上。它包括一个直径1.2米的球形着陆舱,一个直径2.9米的圆锥形空气动力制动护罩,一个降落伞系统和反推火箭。整个着陆器加满燃料后重为1210千克,其中球形着陆舱重358千克。

由微型气体发动机和加压氮气容器组成的自动控制系统提供姿态控制。四个“火药”发动机安装在圆锥体的外缘,以控制俯仰和偏航。主降落伞和辅助降落伞,启动着陆的发动机,以及雷达高度计都安装在着陆器的顶部。泡沫被用来吸收着陆时的冲击。着陆舱有四个三角形的“花瓣”,在着陆后会打开,使航天器恢复正常功能,并露出仪器。


:火星3号登陆器剖面图

着陆器上装有两个可以360度观察火星表面的电视摄像机,用于研究大气成分的质谱仪、温度、压力和风传感器以及测量表面机械和化学性质的设备,包括搜寻有机材料和生命迹象的机械铲子。此外,上面还带有苏联盾形纹章的三角旗。四个天线从球体顶部伸出来,通过机载无线电系统与轨道飞行器进行通信。该设备由电池供电,在分离前由轨道飞行器充电。温度控制是通过隔热和散热器系统来维持的。着陆舱在发射前进行了消毒,以防止污染火星环境。

火星2号和3号着陆器搭载了名为Prop-M的小型行走机器人。机器人的质量为4.5千克,并通过电缆拴在着陆器上,以便进行直接通信。这个机器人被设计成可以在滑雪板上“行走”,极限是15米(与电缆长度相同)。Prop-M身上携带了动态渗透仪和辐射密度计。

Prop-M的主框架是个粗壮的盒子,中间有个很小的突起。框架由两个扁平滑雪板支撑,其中一个从两边向下延伸,使框架略高于表面。盒子的前面是障碍物探测棒。Prop-M计划在由机械手手臂着陆后放置在地面上,并在电视摄像机的视野内移动,每隔1.5米停下来进行测量。火星土壤中的运动痕迹也将被记录下来,以确定材料的性质。

1971年12月2日,着陆器与轨道器分离。大约15分钟后,下降引擎启动,将防空罩指向前方。随后,该模块以5.7公里/秒的速度以不到10度的角度进入火星大气层。制动降落伞随后展开,主降落伞被收起,直到着陆器降至超音速以下,这时主降落伞完全展开,隔热板被弹出,雷达高度计被打开。在20到30米的高度,以60到110米/秒的速度,主降落伞断开连接,一枚小火箭把它推到旁边。与此同时,着陆器的反推火箭启动。整个进入大气层的过程花了3分钟多一点儿的时间。

据报道,火星3号着陆器以20.7米/秒的速度撞击地表。为了防止损坏仪器,舱内还配置有减震器。四个花瓣形状的盖子打开,随后着陆器开始向火星3号轨道器传输信号。然而仅仅20秒后,由于未知原因,信号传输停止,地球上没有收到来自火星表面的信号。

目前还不清楚故障原因是来自着陆器还是轨道器上的通信继电器。着陆器传回的部分全景图像没有显示细节,而且照度非常低。故障的原因可能与当时发生的极强火星沙尘暴有关,这场沙尘暴可能引发了日冕放电,破坏了通信系统。沙尘暴也可以解释图像光线不佳的原因。(小小)

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