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火星探索计划

火星探索计划（英语：Mars Exploration Program，MEP）是一项由NASA资助和领导探索火星的长期计划。其成立于1993年，利用人造卫星、著陆器和火星车探索火星上生命的可能性，以及其气候和自然资源。[1]该计划由NASA科学任务理事会下的行星科学部门中的道格·麦克奎斯逊管理。[2]由于NASA 2013财政年度的预算减少40%，因此成立了火星计画规划小组（Mars Program Planning Group，MPPG），以帮助重整火星探索计划，聚集NASA的技术、科学、营运和任务的领导者。[3][4]

概述

火星探索计划分析小组 (Mars Exploration Program Analysis Group) 于1999年10月首次召开会议，使科学界能够投入规划火星探索计划。与大多数NASA任务一样，火星探索任务的成本相当高。 例如，NASA的好奇号火星车（2012年8月登陆火星）的预算超过 25 亿美元。[5] NASA也和欧洲太空总署（ESA）合作，以执行一项将火星土壤样本送回地球的任务，该任务可能至少耗资50亿美元，并需要十年时间才能完成。[6]

目标

 
 
研究天体生物学、气候学和地质学一直是火星探索计划任务中的共同目标，例如火星探测漫游者（左）和火星科学实验室（右） )

根据NASA的所说，火星探索计划有四大目标，都与了解火星上是否存在生命有关。[7]

  • 确定火星上是否存在（或是曾经存在）生命– 为了了解火星的宜居程度，首先要评估这颗行星是否适合生命生存，即确定火星上是否曾经有生命存在。 而关于火星探索计划的主要策略，如果火星上真的出现了生命，就需要有大量存在的水。因此，该计划的其中一个重点目标是寻找存在、曾经或可能存在水地方，例如干涸的河床、地表下方和火星的极地冰盖。[8]
  • 研究火星的气候 – 火星探索计划的另一个目标是研究火星现在和过去的气候，以及影响火星气候变化的因素。 目前已知的是，气候受火星冰盖的季节性变化、大气中尘埃的移动以及地表与大气之间水气交换的调节影响。了解这些气候现象能帮助科学家更有效的模拟火星过去的气候，从而更深入的了解火星的历史与动态。[9]
  • 调查火星地质学 – 火星的地质与地球不同，例如：火星的巨型火山和其缺乏板块运动。火星探索计划的其中一个目标是了解这些火星与地球的差异，以及风、水、火山、陨石坑和其他过程造成现在的火星表面的方式。分析岩石可以帮助科学家了解火星历史上一系列的事件，通过识别仅在水中形成的矿物质来判断火星上是否存在（或是曾经存在）丰富的水，并判断火星是否曾经有过磁场。[10]
  • 为人类探索火星做好准备 – 载人火星任务是一项巨大的挑战。 由于火星表面含有超氧化物且缺乏磁层和臭氧层来防止太阳辐射，科学家们必须尽可能多了解火星相关的事项，然后才能采取行动以实现将人类送上火星的目标。[11]

挑战

 
火星较稀薄的大气层使到达的航天器的再入、下降和著陆操作更具挑战性

因于巨大的工程挑战，火星探索任务的失败率是NASA历年来所有任务中最高的[12][13]。火星探索计画的许多任务涉及航天器在火星的再入、下降和著陆 (EDL)，由于火星稀薄的大气层和不平坦的表面，使得登陆火星更加困难。[14]

火星的大气层大约比地球稀薄100倍。因此探测器在下降过程中可能会无法达到可安全著陆的速度，且为了使用特定的雷达，必须低于一定的下降速度才可使用。所以必须开发其他能让探测器减速的方式已达到目的。[14]但火星的大气在不同时刻的变化很大，使工程师无法开发所有任务中通用的再入、下降和著陆系统。 再加上火星地表地形多变，使得任务工程师需保守的选择著陆地点，让飞行器达到足够的减速。[14]

还有，在火星著陆的过程大约需要7分钟，而火星和地球的通讯时间更长，因此再入、下降和著陆系统必须完全自主运行，才能完成著陆程序。[14]

火星表面极不平坦，包含岩石、山地和陨石坑。对于著陆器而言，理想的著陆区域应该是平坦且没有岩石的。由于这种地形在火星上非常少，起落架必须非常稳定以防止在著陆时出现翻倒和不稳定的问题。此外，这些著陆器的减速系统包括喷向地面的推进器，推进器在接近地面时很可能会直接喷射到地表，导致有许多碎石飞溅，甚至形成坑洞，对探测器的稳定性与安全性产生影响。[14]

除了著陆器在地表翻覆与推进器的的问题之外，山丘、台地、陨石坑和低洼处等大型地形起伏也可能造成雷达在对地面扫描地形与距离时产生干扰的问题。因此，雷达和都卜勒雷达可能会在下降过程中错误测量离地高度，若飞行器在下降过程中越过山地或低漥处，针对著陆器著陆地点的演算法可能会被干扰而过早或过晚释放著陆器。[14]

历史

缘起

 
1993 年火星观察者号的失踪促使形成一个有凝聚力的火星探索计划

虽然在古代，巴比伦尼亚人、古埃及人、古希腊人已经在观察火星了，但直到17世纪望远镜发明后，人们才对火星有近一步的研究。[15] 历史上首次向火星发射的探测器为苏联的火星1A号，但该探测器发射时未能达到地球轨道，任务失败。 火星探测任务的失败率非常高，将近有半数的探测器在开始执行主要探测任务前就失败。[12]

火星探索计划是在1993年8月火星观察者号卫星任务失败后成立的。[1]火星观察者号是NASA自1975年维京1号和维京2号任务以来的首次火星任务，它携带了用于研究火星地质、天体物理学和气候观测的仪器。但是，在入轨前三天，它与地球失去了联系，最终任务失败。[16]

2000年代

在2000年代，NASA成立了火星侦察兵计划，作为火星探索计划的一部份，目的是向火星发送一系列小型且低成本的探测任务，这些任务是从科学界的提案中挑选出来的，预算上限为4.85亿美元。该计划中的第一个探测器是凤凰号，它沿用了最初为2001火星奥德赛号制造的著陆器。[17]而在2008年9月，NASA宣布MAVEN被选为第二次的火星侦察兵计划任务，用于研究火星大气。[18][19] 经过两次的任务后，NASA于2010年宣布，火星侦察兵计划并入发现计划。[20] 洞察号最终被选为第12次发现计划的任务，用于研究火星内部结构。

2010年代

2013财政年度，NASA的行星科学部门大幅削减了3亿美元的预算，这使得NASA取消参与欧洲太空总署的ExoMars计划，并对整个火星探索计划进行了重新评估，[21][22][23] 并成立火星计画规划小组，其目的是为探测器探索火星的程序架构奠定基础。[23]2012年 2月，火星探索计划分析小组（MPPG）在华盛顿特区召开会议，讨论2018年或2020年发射窗口期的候选任务，该计划被称为下一代的火星计划（Mars Next Generation）。[24][25][26]

任务

列表

任务 任务徽章 探测器探测器 发射时间 入轨/著陆日期 发射火箭 结果 任务时间
火星全球探勘者号
 
 火星全球探勘者号 1996年11月7日 17:00 1997年9月11日 01:17 三角洲2号 7925 成功 3249火星日
火星勘测者98
 
 火星气候探测者号 1998年12月11日 18:45 1999年9月23日 09:00(失败) 三角洲2号 7425 入轨失败 无(入轨失败)
火星极地著陆者号 1999年1月3日 20:21 1999年12月3日 20:15(失败) 三角洲2号 7425 著陆失败 无(著陆失败)
火星探勘者2001 未命名轨道器 任务取消(探测器改制为2001火星奥德赛号) 任务取消 N/A
未命名著陆器 任务取消(探测器改制为凤凰号) 任务取消
“玛丽·居里号”火星车 任务取消 任务取消
2001火星奥德赛号
 
 火星奥德赛号 2001年4月7日 15:02 2001年10月24日 12:21 三角洲2号 7925-9.5 运作中 进行中
火星探测漫游者

精神号 2003年6月10日 17:58 2004年1月4日 04:35 三角洲2号 7925-9.5 成功 2623火星日
机遇号 2003年7月7日 03:18 2004年1月25日 05:05 三角洲2号 7925H-9.5 成功 5352火星日
火星侦察轨道卫星
 
 火星侦察轨道卫星 2005年8月12日 11:43 2006年3月10日 21:24 擎天神5号 401 (AV-007) 运作中 进行中
凤凰号火星探测器[a]
 
 凤凰号 2007年8月7日 09:26 2008年5月25日 23:53 三角洲2号 7925 成功 157火星日
火星科学实验室
 
 好奇号 2011年11月26日 15:02 2012年8月6日 05:17 擎天神5号 541 (AV-028) 运作中 进行中
MAVEN[a]
 
 MAVEN 2013年11月18日 18:28 2014年9月22日 02:24 擎天神5号 401 (AV-038) 运作中 进行中
洞察号火星探测器
 
 洞察号 2018年5月5日 11:05 2018年11月26日 19:52 擎天神5号 401 运作中 进行中
火星2020
 


 


 
 毅力号 2020年7月30日 11:50 2021年2月18日 20:55 擎天神5号 541 (AV-088) 运作中 进行中
机智号 运作中 进行中

以上时间皆为UTC(世界协调时间)

参见

附注

  1. ^ 1.0 1.1 同为火星侦察兵计画的任务

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 Shirley, Donna. Mars Exploration Program Strategy: 1995–2020 (PDF). American Institute of Aeronautics and Astronautics. [18 October 2012]. （原始内容 (PDF)存档于11 May 2013）. 
  2. ^ McCuistion, Doug. Doug McCuistion,Director, NASA Mars Exploration Program. NASA. [18 October 2012]. （原始内容存档于19 October 2015）. 
  3. ^ Hubbard, G. Scott. A Next Decade Mars Program. The Huffington Post. 2012-08-28 [18 October 2012]. （原始内容存档于2016-08-04）. 
  4. ^ Garvin, James. About the Mars Program Planning Group. NASA. [18 October 2012]. （原始内容存档于2017-05-22）. 
  5. ^ Leone, Dan. Mars Science Lab Needs $44M More To Fly, NASA Audit Finds. Space News. [24 October 2012]. （原始内容存档于May 26, 2012）. 
  6. ^ de Selding, Peter. Study: Mars Sample Return Would Take 10 Years, Cost $5 Billion-Plus. Space News. [24 October 2012]. [失效链接]
  7. ^ The Mars Exploration Program's Science Theme. Mars Exploration Program. NASA. [18 October 2012]. （原始内容存档于6 August 2011）. 
  8. ^ Goal 1: Determine if Life Ever Arose On Mars. Mars Exploration Program. NASA. [18 October 2012]. （原始内容存档于2013-06-24）. 
  9. ^ Goal 2: Characterize the Climate of Mars. Mars Exploration Program. NASA. [18 October 2012]. （原始内容存档于2016-01-19）. 
  10. ^ Goal 3: Characterize the Geology of Mars. Mars Exploration Program. NASA. [18 October 2012]. （原始内容存档于2016-11-12）. 
  11. ^ Goal 4: Prepare for the Human Exploration of Mars. Mars Exploration program. NASA. [18 October 2012]. （原始内容存档于2016-11-16）. 
  12. ^ 12.0 12.1 A Chronology of Mars Exploration. NASA History Program Office. [18 October 2012]. （原始内容存档于2019-07-14）. 
  13. ^ O'Neill, Ian. The Mars Curse. Universe Today. 2008-03-22 [18 October 2012]. （原始内容存档于2021-12-16）. 
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 Braun, Robert. Mars Exploration Entry, Descent and Landing Challenges (PDF). Journal of Spacecraft and Rockets. 2007, 44 (2): 310–323 [18 October 2012]. Bibcode:10.1.1.463.8773 请检查|bibcode=值 (帮助). doi:10.2514/1.25116. （原始内容 (PDF)存档于26 May 2010）. 
  15. ^ Mars Exploration History. Mars Exploration Program. NASA. [18 October 2012]. （原始内容存档于2015-09-05）. 
  16. ^ Mars Observer. Mars Exploration Program. NASA. [18 October 2012]. （原始内容存档于2017-04-04）. 
  17. ^ NASA selects four Mars Scout mission concepts for study. 2002-12-06 [2021-12-16]. （原始内容存档于2016-06-11） （英语）. 
  18. ^ NASA Selects 'MAVEN' Mission to Study Mars Atmosphere. NASA. 2008-09-15 [2021-12-16]. （原始内容存档于2009-06-19）. 
  19. ^ NASA Delays Mars Scout Mission to 2013. NASA. 2007-12-21 [2021-12-16]. （原始内容存档于2020-04-26）. 
  20. ^ NASA's Scout Program Discontinued. 2010-07-30 [2021-12-16]. （原始内容存档于2019-04-14） （英语）. 
  21. ^ Brown, Adrian. MSL and the NASA Mars Exploration Program: Where we've been, where we're going. The Space Review. [24 October 2012]. （原始内容存档于2021-12-27）. 
  22. ^ Morning Jr., Frank. NASA Units Hope For 2018 Robotic Mars Mission. Aviation Week. Feb 14, 2012 [2012-02-27]. （原始内容存档于2020-04-13）. 
  23. ^ 23.0 23.1 About the Mars Program Planning Group. [2012-07-20]. （原始内容存档于2017-05-22）. 
  24. ^ Leone, Dan. NASA Raids Outer Planets Budget To Fund Fast Start on Mars Reboot. Space News. 24 February 2012 [2012-02-25]. （原始内容存档于February 2, 2013）. 
  25. ^ Eric Hand. Beset by budget cuts, US Mars scientists look to possible 2018 mission. Nature. 28 February 2012 [2012-02-28]. （原始内容存档于2012-03-02）. 
  26. ^ Kate Taylor. NASA calls for ideas for future Mars missions. TG Daily. 16 April 2012 [2012-04-16]. （原始内容存档于2017-07-05）. 

外部链接

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