火星，我們來了！

尹懷勤

6月20日和26日，美國科學(xué)家分別宣布，“鳳凰”號(hào)火星著陸探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，火星北極確實(shí)存在冰凍水，當(dāng)?shù)赝寥赖膲A性環(huán)境與地球上某些區(qū)域相似，符合種植蘆筍等作物的要求。這兩項(xiàng)成果引起人們的廣泛關(guān)注和極大興趣。這標(biāo)志著人類在探測(cè)火星征途上又邁出了重要一步，這也意味著火星離我們又近了一些。

從1960年到現(xiàn)在，人類共向火星發(fā)射了38個(gè)探測(cè)器，成功率僅為50％，這么多的失敗經(jīng)歷，不僅沒有打消反而更激起了人類對(duì)火星的憧憬與向往。人類之所以如此關(guān)注火星，是因?yàn)樗翘栂抵信c地球類似之處最多的行星，它寄托了人類在地球以外發(fā)現(xiàn)生命的厚望，它有可能成為人類的第二家園以及人類飛出太陽系的踏板。

人類探索火星的歷程

火星是顆外殼為固體的行星，距離太陽2.279億千米，約為地一日距離的1.52倍，繞日公轉(zhuǎn)1周需687天。它的赤道半徑為3397千米，體積是地球的15％，自轉(zhuǎn)周期為24小時(shí)37分23秒，僅比地球自轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)41分鐘。有趣的是，火星也像地球一樣側(cè)著身子繞日公轉(zhuǎn)，因此火星一年也有春夏秋冬四季變化。同時(shí)，它還有兩顆天然衛(wèi)星。由此可見，火星環(huán)境最接近地球，是被科學(xué)家認(rèn)為最有可能存在生命的星球。正因如此，人類進(jìn)入空間時(shí)代以后，就把火星選作探測(cè)地外行星的第一目標(biāo)。航天器飛向火星的活動(dòng)不僅起步早和次數(shù)多，而且探測(cè)成果最為顯著，也為探測(cè)其他行星積累了經(jīng)驗(yàn)。

從1960年到現(xiàn)在，人類共向火星發(fā)射了38個(gè)探測(cè)器，其中蘇聯(lián)／俄羅斯18個(gè)，美國18個(gè)，日本1個(gè)，歐洲空間局1個(gè)。在19個(gè)成功對(duì)火星進(jìn)行探測(cè)的航天器中，有5個(gè)飛掠火星，7個(gè)成為火星的人造衛(wèi)星，7個(gè)著陸火星。它們獲得的照片和探測(cè)數(shù)據(jù)傳回地球后，成為人類認(rèn)識(shí)火星及其周圍環(huán)境的依據(jù)。航天器就近觀測(cè)火星和實(shí)地勘察火星，大大豐富了人類對(duì)火星的認(rèn)識(shí)，并加強(qiáng)了科學(xué)家們派人登臨火星的決心，以徹底揭開其神秘面紗。

向行星發(fā)射航天器可選用多種飛行路線。為了節(jié)省能量，通常采用初始速度最小的飛行路線，并將其稱為最佳軌道。最佳軌道只有1條，對(duì)包括火星在內(nèi)的外行星來說，這就是外切于地球公轉(zhuǎn)軌道、內(nèi)切于目標(biāo)行星公轉(zhuǎn)軌道的雙切式橢圓軌道：對(duì)水星和金星兩顆內(nèi)行星來說，這就是內(nèi)切于地球公轉(zhuǎn)軌道、外切于目標(biāo)行星公轉(zhuǎn)軌道的雙切式橢圓軌道。它是奧地利科學(xué)家霍曼于1925年提出來的，故又稱霍曼軌道。霍曼軌道雖可節(jié)約火箭能量，卻因速度小而使飛行時(shí)間較長(zhǎng)，航天器從地球到達(dá)火星需要奔馳259天。

由于地球和火星都在繞日運(yùn)行，兩者的相對(duì)位置不斷發(fā)生變化。當(dāng)太陽、地球、火星處于同一條直線上時(shí)，稱為相沖。兩次相沖間隔的時(shí)間叫做會(huì)合周期。顯而易見，在一個(gè)會(huì)合周期內(nèi)地球、火星及太陽三者之間的每一種相對(duì)位置只能出現(xiàn)一次，故對(duì)選定的霍曼軌道來說，每一個(gè)會(huì)合周期內(nèi)只有一次有利的發(fā)射時(shí)機(jī)。火星與地球的會(huì)合周期為780天即26個(gè)月，因此每26個(gè)月才有一次沿霍曼軌道發(fā)射航天器的發(fā)射窗口。

在向火星發(fā)射的38個(gè)航天器中，“鳳凰”號(hào)排在末位，是最新型的一科，火星探測(cè)器。目前，有6個(gè)航天器正在對(duì)火星進(jìn)行探測(cè)，其中有美國的“奧德賽”號(hào)、“火星偵察軌道器”和歐空局的“火星快車”3個(gè)軌道器，有美國的“勇氣”號(hào)、“機(jī)遇”號(hào)和“鳳凰”號(hào)3個(gè)著陸器。

“鳳凰”探秘火星北部

美國當(dāng)?shù)貢r(shí)間5月25日16時(shí)38分，“鳳凰”號(hào)探測(cè)器成功降落在火星北緯68度的接近北極地區(qū)，位置相當(dāng)于地球上的加拿大北部。“鳳凰”號(hào)因而成為人類第一個(gè)在地球的外鄰星最北地區(qū)著陸的航天器。

2001年4月27日美國發(fā)射的并于同年10月24日進(jìn)入環(huán)火星軌道運(yùn)行的“奧德賽”號(hào)探測(cè)器，曾于2002年在火星北緯65度以北地區(qū)發(fā)現(xiàn)大范圍凍水層存在的證據(jù)，凍水層位于火星表面之下約0.5米處。“鳳凰”號(hào)就是奔著這片凍水層而去的，計(jì)劃開展為期3個(gè)月的探測(cè)活動(dòng)。研究人員希望它能挖掘火星土壤樣本，尋找可能存在的冰層，并分析土壤中是否存在有機(jī)物，以判斷火星現(xiàn)在或過去的環(huán)境是否適宜生命存活。如果找到了水和發(fā)現(xiàn)了有機(jī)物的線索，那就是對(duì)火星探測(cè)的一個(gè)重大貢獻(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述探測(cè)目標(biāo)，“鳳凰”號(hào)攜帶著7種科學(xué)儀器設(shè)備。一是用鋁鈦合金制成的機(jī)械挖掘臂。它長(zhǎng)達(dá)2.35米，可以挖到火星地表之下半米深的土壤，并將樣本傳送到兩臺(tái)分析儀器中；二是機(jī)械臂照相機(jī)。它安裝在機(jī)械臂末端的挖掘鏟上，可以拍攝土壤以及其中冰的特寫圖像；三是熱量和釋出氣體分析儀。它有8個(gè)微型烤箱，可將土壤樣本加熱，并測(cè)量隨著溫度上升樣本中的水蒸氣、二氧化碳及揮發(fā)性有機(jī)物的變化：四是顯微鏡以及電化學(xué)和傳導(dǎo)性分析儀，顯微鏡主要用于分析礦物顆粒樣本，電化學(xué)分析儀用于研究一些化學(xué)特性，如是否有溶解的鹽分存在、土壤酸堿度等。位于機(jī)械臂上的傳導(dǎo)探測(cè)器則可檢查土壤的熱量及電傳導(dǎo)特性：五是立體照相機(jī)。它可拍攝著陸位置地形的高清晰度、彩色、立體圖像；六是氣象儀。它由加拿大航天局提供，可以檢測(cè)火星大氣層的塵埃、溫度等變化；七是火星降落成像儀，它可在著陸吋動(dòng)態(tài)拍攝火星著陸位置的地質(zhì)情況。

這些儀器采用了很多成熟的技術(shù)成果，包括1999年著陸火星后失去聯(lián)系的“火星極地登陸者”和原定2001年發(fā)射后來又被取消的“火星勘測(cè)著陸器”所攜帶的或經(jīng)改進(jìn)的部分裝置。正因如此，“鳳凰”號(hào)探測(cè)器的成本相對(duì)較低，這是美國航宇局執(zhí)行名為“偵察”的低成本火星探測(cè)計(jì)劃以來發(fā)射的首個(gè)探測(cè)器。

“鳳凰”號(hào)碩果累累

作為一個(gè)固定的火星登陸器，“鳳凰”號(hào)以幾近完美的方式完成了著陸任務(wù)并于2小時(shí)后傳回第一批火星圖片。

5月31日，“鳳凰”號(hào)伸出機(jī)械臂末端的挖掘鏟首次進(jìn)行試挖，在火星泥土上留下了一個(gè)類似人類腳印的痕跡。這第一次接觸火星的成功為之后的采集土壤和向其他科學(xué)儀器傳送土壤樣品做好了準(zhǔn)備。

6月5日，美國航宇局展示了“鳳凰”號(hào)利用光學(xué)顯微鏡拍攝的火星表面塵埃顆粒的高清晰度照片。其中一些顆粒小到人類頭發(fā)直徑的十分之一。照片中的塵埃顆粒大小各異、色彩斑斕，顏色涵蓋了從半透明白色到純黑色的色譜。研究人員認(rèn)為，一個(gè)色澤光亮發(fā)白的顆粒可能是鹽，不大會(huì)是冰。因?yàn)槟菢有〉谋w粒會(huì)在拍照之前融化。但鹽同樣引人注目，因其通常分布在冰的周圍。

6月12日，“鳳凰”號(hào)傳回的圖像顯示，它的機(jī)械臂已經(jīng)成功地把火星土壤樣本撒到了光學(xué)顯微鏡的樣本盤上。顯微

鏡上的土壤樣本大致呈橘紅色，里面有一些綠色顆粒，可能是橄欖石，這種礦物質(zhì)與火山噴發(fā)有關(guān)。“勇氣”號(hào)火星車先前在火星上發(fā)現(xiàn)過橄欖石。土壤樣本里還含有黑色圓形玻璃狀顆粒，可能是火山玻璃。

6月15日，“鳳凰”號(hào)機(jī)械臂挖掘鏟在著陸點(diǎn)西北角挖出一個(gè)大約5厘米深的溝，發(fā)現(xiàn)了約8個(gè)明亮的小碎塊。這些碎塊16日時(shí)還存在，但到18日卻蒸發(fā)不見了。研究人員說，此一現(xiàn)象表明，原來的明亮碎塊就是掩埋于一層薄土之下的水冰，當(dāng)其暴露于空氣中時(shí)逐漸被蒸發(fā)掉了。“鳳凰”號(hào)著陸點(diǎn)目前白天溫度約為-32℃，晚間是80℃。在火星稀薄的大氣中，水的沸點(diǎn)僅為4℃，很容易蒸發(fā)，而二氧化碳需要在-125℃以下才能變成固態(tài)的干冰，鹽則不會(huì)蒸發(fā)，這就排除了明亮碎塊是干冰或鹽的可能性。據(jù)此，6月20日，“鳳凰”號(hào)探測(cè)項(xiàng)目首席科學(xué)家彼得·史密斯在新聞發(fā)布會(huì)上宣布，火星北極確實(shí)存在水冰。

6月26日，美國科學(xué)家在新聞發(fā)布會(huì)上說，“鳳凰”號(hào)機(jī)械臂挖掘鏟在火星表面以下2.5厘米處采集到1立方厘米土壤，用儀器檢測(cè)其酸堿度即pH值。結(jié)果顯示，土壤溶液的pH值在8～9之間，呈堿性。同時(shí)，分析儀器還在土壤中檢測(cè)出鎂、鈉、鉀等元素和氯化物。分析表明火星北極土壤沒有毒性，地球上類似土壤環(huán)境適合種植蘆筍、青豆等作物，喜好化學(xué)物質(zhì)的細(xì)菌也適合在其中繁殖。不過，火星土壤中沒有檢測(cè)出碳元素和有機(jī)物。新發(fā)現(xiàn)只是增加了火星北極平原具有適宜原始生命存活的條件。

不言而喻，“鳳凰”號(hào)今后在火星上還會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)。在結(jié)束預(yù)定90天的火星表面探測(cè)任務(wù)后，它將啟動(dòng)所攜的氣象儀，用激光雷達(dá)和溫度壓力測(cè)量裝置監(jiān)測(cè)火星大氣層的變化情況，記錄火星北極每天的天氣狀況。顯而易見，“鳳凰”號(hào)對(duì)火星表面和大氣層的探測(cè)，都將為探索人類登陸火星的可能性提供有用的科學(xué)數(shù)據(jù)。

展開“火星生命計(jì)劃”

探測(cè)火星有無低級(jí)生命、將來能否成為人類的第二家園，原是發(fā)射航天器奔赴這顆暗紅色星球的初衷。而有無生命跡象，就要看火星上面是否存在適宜的空氣、溫度和水分。研究航天器傳回地球的資料可知，火星大氣稀薄干燥，變化莫測(cè)，氣壓僅為地球的0.s％，主要成分是占95％的二氧化碳和占3％的氮，水含量?jī)H占0.03％。火星云層主要成分是二氧化碳凝結(jié)成的干冰。火星經(jīng)常發(fā)生比地球上規(guī)模還要大的沙塵暴。1976年7月20日和9月3日先后著陸火星的美國“海盜1”號(hào)和“海盜2”號(hào)探測(cè)器測(cè)得所處位置的溫度在26℃～-54℃之間，可以存活低級(jí)生命，但沒有發(fā)現(xiàn)生命。

航天探測(cè)表明，火星除兩極極冠有冰層和高緯度地區(qū)地表下面有永凍冰層外，其他地區(qū)都沒有水。雖然有些地形顯示曾被水流沖刷，但都處于干涸狀態(tài)。美國科學(xué)家們研究傳回地面的大量照片發(fā)現(xiàn)，火星表面曾出現(xiàn)一些新的深谷和滑坡，這只有在地下有大量滲水流動(dòng)的情況下才可能形成。他們預(yù)計(jì)，地下水儲(chǔ)存在火星表面以下100～400米的石層空洞之間。這一分析有待未來更進(jìn)一步的探測(cè)加以證實(shí)。

實(shí)際上，發(fā)射“鳳凰”號(hào)僅是美國實(shí)施“火星生命計(jì)劃”的一個(gè)組成部分。按照1996年開始實(shí)施的該計(jì)劃規(guī)定，美國每隔26個(gè)月發(fā)射1至2個(gè)無人探測(cè)器，以確定火星上是否存在生命。在“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)登陸火星之后，這個(gè)計(jì)劃的重點(diǎn)轉(zhuǎn)為探測(cè)火星上是否具備生命存活的條件。美國于2005年8月12日發(fā)射的“火星偵察軌道器”，是當(dāng)今最大的人造火星衛(wèi)星，已在這方面進(jìn)行了有益的探測(cè)，傳回了大量數(shù)據(jù)資料。

“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)兩個(gè)火星車，原定工作90天，可4年半過去了，至今仍然漫游在靠近火星赤道的區(qū)域繼續(xù)開展探測(cè)工作。由此可見，“鳳凰”號(hào)的實(shí)際工作時(shí)間也會(huì)超過原定期限，在接近火星北極的固定地點(diǎn)作超期服役的就地探測(cè)。這3個(gè)著陸探測(cè)器已經(jīng)并將進(jìn)一步為美國提供火星典型區(qū)域的科學(xué)數(shù)據(jù)，從而幫助科學(xué)家加深對(duì)火星的認(rèn)識(shí)。

從已公布的信息來看，美國將于2009年或2011年發(fā)射“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”著陸探測(cè)器，這種新一代火星車性能更為先進(jìn)，它約有一輛吉普車大小，比目前仍在火星上工作的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)大幾倍，其穿行能力也將得到更多改善，可在陡坡上正常行駛。新型火星車將依靠核能來工作，取代目前火星車上使用的太陽能電池板，因而可大大增加漫游車的行程和使用壽命，提高其開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)如鉆探的能力。新型火星車最引人注目的是用“空間起重機(jī)”登陸，如果成功，將是著陸探測(cè)火星技術(shù)上的一次飛躍。“火星科學(xué)試驗(yàn)室”能對(duì)火星上一些“死角”進(jìn)行考察，進(jìn)一步探索火星上是否有生命存在。

美國力爭(zhēng)在2014年之前讓返回式航天器帶回第一批火星土壤和巖石樣本，供科學(xué)家直接進(jìn)行分析研究，以完成“火星生命計(jì)劃”規(guī)定的任務(wù)。隨著“取樣返回”任務(wù)的完成，美國“火星生命計(jì)劃”也將結(jié)束。此后，美國將為載人火星探索做各種準(zhǔn)備，以期最終實(shí)現(xiàn)載人登陸火星。

為人類登陸火星做準(zhǔn)備

以美國為首的一些國家緊鑼密鼓地探測(cè)火星，都是為本世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)派人登陸火星的目標(biāo)做準(zhǔn)備工作的。不難想象，在結(jié)束“火星生命計(jì)劃”之后，美國必將把多個(gè)性能更為先進(jìn)的航天器送上火星，并實(shí)施多次的返回飛行，為開啟載人火星之旅進(jìn)行探路。因?yàn)樽?004年1月14日美國總統(tǒng)布什提出2030午后派人登陸火星的計(jì)劃后，美國航宇局就開始了相關(guān)研究工作，并準(zhǔn)備把未來的載人登月航天器“奧賴恩”加以改進(jìn)，使其成為載人登陸火星的航天器，打算在2031年實(shí)現(xiàn)載人登陸火星。

在布什宣布派人登陸火星計(jì)劃的同一天，俄羅斯高級(jí)官員就宣稱，如有經(jīng)費(fèi)有保證，我能在10年內(nèi)將人送上火星。歐空局于2004年2月3日宣布的“曙光”火星探測(cè)計(jì)劃則稱，力爭(zhēng)在2033年實(shí)現(xiàn)歐洲航天員登上這顆紅色星球的夢(mèng)想。實(shí)際上，俄羅斯和歐空局也已啟動(dòng)送人奔向火星的某些項(xiàng)目的預(yù)先研究，并不排除他們捷足先登的可能性。

歐空局除單獨(dú)開展預(yù)研工作外，還分別與美、俄進(jìn)行合作攻關(guān)。2004年2月6日，“火星快車”飛經(jīng)“勇氣”號(hào)探測(cè)的火星表面上空時(shí)，歐空局即通過前者向后者發(fā)送了信息，并收到了后者的反饋信號(hào)。這是歐美火星探測(cè)器首次進(jìn)行聯(lián)系試驗(yàn)，并獲成功。此舉無疑對(duì)將來雙方航天員登上火星后進(jìn)行通信聯(lián)系有重要意義。與此同時(shí)，歐美還在研究航天員奔赴火星途中維持生命保障系統(tǒng)方面互相借鑒。依照歐俄合作計(jì)劃，雙方將于2008年末開展“火星-500”試驗(yàn)，對(duì)載人火星飛行進(jìn)行全方位的地面模擬。

不言而喻，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，將有越來越多的國家參加到探測(cè)火星和派人登陸火星的行列中來，只有航天員登上火星以后，才能確定人類將來能否移民火星。

(文章代碼：1502)

[責(zé)任編輯]龐云

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人類火星之旅面臨幾大難題

一是飛行動(dòng)力的問題。由于火星之旅路途遙遠(yuǎn)，除發(fā)射升空需要強(qiáng)大運(yùn)載動(dòng)力外，還需為飛船長(zhǎng)途航行提供可靠的動(dòng)力。同時(shí)，著陸火星后還要解決能源需求問題。目前的辦法是利用太陽能電池板，但其穩(wěn)定性仍令人擔(dān)憂，尚需考慮使用核能裝置。

二是人身保護(hù)和空氣、飲食供應(yīng)問題。航天員在乘船飛往火星過程中，太陽風(fēng)暴和宇宙射線風(fēng)暴常會(huì)持續(xù)數(shù)日之久，這就需要加強(qiáng)太空天氣預(yù)報(bào)能力和改進(jìn)各種防護(hù)設(shè)備。同時(shí)，在路途上和到達(dá)火星后，都需要保證航天員對(duì)氧氣、飲水和食品的需要。

三是人體必須適應(yīng)新的環(huán)境問題。飛往火星途中，航天員長(zhǎng)期處于微重力狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)肌肉松弛或骨質(zhì)變輕等太空綜合癥，而能活動(dòng)的空間又很小，使這一問題更加嚴(yán)峻。另外火星的溫度、大氣、引力等問題，也是對(duì)人體的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。

四是著陸火星和實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)問題。飛船進(jìn)入火星要經(jīng)過離軌、過渡、進(jìn)入大氣層和軟著陸四個(gè)階段，盡管時(shí)間不長(zhǎng)但危險(xiǎn)性很大。由于地球與火星距離遙遠(yuǎn)，無線電信號(hào)單程傳輸需要10多分鐘，故而航天員無法獲得地球控制中心的及時(shí)幫助，必須依靠飛船的自動(dòng)控制設(shè)備和自己的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)來解決遇到的問題。著陸火星后，還需要保證與地球的正常通訊聯(lián)系。