火星探測向縱深挺進

進入21世紀，火星是人類探索的新大陸。國際天文學界新世紀空間探測的第一個重頭戲就是火星。以今天的科技，探測器從地球飛到火星需要6個月到1年時間。

新火星探測器

2016年探測火星內核

美國東部時間2012年8月6日，“好奇號”火星車在火星蓋爾隕石坑中心山脈的山腳下成功著陸，任務在于探索火星是否存在適宜生命存在的環境。兩周之后的8月20日，美國國家航空航天局（NASA）宣布，將在2016年發射新火星探測器“洞察號”（InSight），用于探索火星內核。

與“好奇號”火星探測項目的25億美元投入相比，“洞察號”項目的預算僅有4.25億美元。這一項目仍由“好奇號”項目的美國國家航空航天局噴氣推進實驗室（JPL）組織實施，項目負責人是噴氣推進實驗室的任務專家布魯斯·班納特（Bruce Banerdt）。

進入21世紀，火星是人類探索的新大陸。國際天文學界新世紀空間探測的第一個重頭戲就是火星。以今天的科技，探測器從地球飛到火星需要6個月到1年時間。航行時間與啟程時間相關，因為地球和火星軌道的關系，每26個月才會出現一次最有利發射時間，而其他時間發射效率低、成本高。據美國國家航空航天局介紹，“洞察號”探測器計劃在2016年3月發射，2016年9月抵達火星。，設計使用年限為兩年。

“洞察號”計劃降落在火星環境較適宜的火星赤道區域，然后用一整個火星年，即大約680天時間收集目標數據。和此前登陸火星的“勇氣號”以及“機遇號”不同，“洞察號”火星探測器是一個固定式著陸器，大部分的科學任務是通過諸如鉆探實驗來完成，并僅限于著陸位置下方。通過對火星內核狀況展開詳細探測，從而了解火星內核大小、組成及物理狀態、地質構造和火星地震（也叫火星震）活動等情況。

“洞察號”

在3個太空計劃中勝出

根據美國國家航空航天局局長查爾斯·博爾登（Charles Bolden）介紹：“探索火星是一個高度優先的“太陽系探索發現計劃”，可確保美國繼續了解對火星這顆紅色星球的奧秘，并為人類未來登陸火星奠定基礎?！疤栂堤剿靼l現計劃”始于1992年，為高度關注科學目標的太陽系探索任務提供贊助。 此前通過“太陽系探索發現計劃”實施的任務包括“拂曉”航天器，該航天器與“灶神”小行星交會后，正在向“谷神”星進發。2009年入軌的“開普勒”天文望遠鏡也是“太陽系探索發現計劃”中的一項任務。

在進行新一代“太陽系發現計劃”預選過程中，“洞察號”火星探測器擊敗了另外兩個候選方案，成為美國國家航空航天局第十二個“太陽系探索發現計劃”系列。其他兩個參與候選的方案為“彗星跳躍者”（Comet Hopper）和“泰坦海洋探索者”（TiME）。

“彗星跳躍者”主要對彗星進行探索，通過多次登陸彗星表面，探索繞日彗星的形成和演化。馬里蘭大學的杰西卡·桑塞恩（Jessica Sunshine）是該項目的首席研究員。美國國家航空航天局的戈達德航天飛行中心負責項目管理。

而約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室的“泰坦海洋探索者”（TiME）項目，旨在首次地外海洋環境直接探測，探測器將降落并漂浮在泰坦（土衛六）的甲烷-乙烷海洋上，接觸充滿甲烷和乙烷的海洋進行探索研究。普羅塞米（Proxemy）研究公司的艾倫·斯托凡（Ellen Stofan）是該項目的首席研究員。

來自美國國家航空航天局華盛頓總部的官員約翰·格倫斯菲爾德（John Grunsfeld）認為，進入候選方案的3個太陽系探索發現任務都具有很強的科學潛力，而“洞察號”火星著陸探測器則更為吸引人，其具有較低的成本。

由于資金的短缺，美國國會曾提議在2013年的聯邦財政預算中削減行星科學探索任務的20%。在目前美國國家航空航天局的財政預算下，“洞察號”探測器使用了2007年發射的“鳳凰號”火星探測器方案和主體設計。此外，來自法國和德國的科學儀器也將搭載在“洞察號”火星探測器上，使得美國國家航空航天局可以將該探索發現任務控制在較低的預算范圍內。當然，使用此前火星探索中成熟的技術，不僅可以控制成本，也可以按制定的任務計劃進程表進行。美國國家航空航天局科學任務董事會負責人約翰-格倫斯菲爾德說：“這是我們第一次認真查看火星的內部，目前還有很多科學問題急需知道答案?！?/p>

“洞察號”攜帶多國高科技設備

計劃中的“洞察號”探測器著陸地是火星靠近赤道的艾利希平原（Elysium Planitia）。選中這一地區是基于著陸安全以及確保能源供應等方面的綜合考慮。因為，越靠近赤道，探測器就將擁有更多的光照，它的太陽能板產生的電能可以確保探測器的運行。

“洞察號”的設計很大程度上借鑒了2008年5月成功登陸火星的“鳳凰號”（Phoenix）探測器。和“鳳凰”號一樣，“洞察號”也將交由美國丹佛的洛克希德-馬丁公司制造。不過雖然二者看起來非常相像，但是攜帶的設備卻非常不同。

“洞察號”攜帶的主要儀器有：內部結構地震實驗儀（SEIS）、熱流和物理屬性探測儀（HP3）、自轉與內部結構實驗儀（RISE）。這些儀器是國際合作的結晶。

“熱流和物理屬性探測儀”來自德國，將探測火星內核散發的熱量，收集與這顆行星的熱力學有關的信息。“洞察號”在火星表面著陸后，將在著陸點就地完成其大部分設定的科學探測目標。它的機械臂將會把探測儀從儀器平臺上取下，依次擺放在探測器旁邊的地面上。機械臂本身并不攜帶有鉆頭，但是“熱流和物理屬性探測儀”會自動向下鉆探，深度可以達到5米左右。

“內部結構地震實驗儀”由法國航天局（CNES）提供，將會用來記錄地震和其他火星內部活動引起的顫動，為科學家提供與這顆行星的構造和正在進行的地質變化有關的線索。

而“自轉與內部結構實驗儀”則是由噴氣推進實驗室研制。它將通過測量與地球無線通信的多普勒頻移，來測量火星受太陽引力影響形成的繞火星軸擺動。目前正在火星上執行考察任務的“機遇號”火星車正在執行一項多普勒無電線追蹤實驗，這一實驗的原理和“自轉與內部結構實驗儀”的實驗非常相似，只是后者的實驗精度將要更高。“機遇號”由于正值火星冬季，因而電力不足，目前處于停駛狀態。相比之下，“洞察號”將可以連續一整個火星年（約合兩個地球年）進行這項實驗。

除此之外，“洞察號”還將裝備兩臺相機。兩臺相機的主要目的都是為了方便監測將儀器設備放置在火星表面上的操作。當然，它們也能用來拍攝探測器周圍的環境景色，不過這些照片都將只有黑白兩色。

未來的火星探測計劃

由于美國宇航局的行星探索經費面臨嚴重削減，“洞察號”是否能真正成行，目前還尚未可知。2012年初，美國國家航空航天局退出了與歐洲航天局合作的兩項火星任務，原因是無力為2016年和2018年執行的任務提供14億美元經費。

迄今為止，火星探測已經經歷了飛近火星、進入火星軌道環繞飛行、登陸與漫游火星3個階段?，F在，火星探測器不僅可以在某一地點定點登陸，而且可以使用火星車在火星表面活動。未來的火星探測計劃主要有以下幾項。

1. 火星大氣與揮發物演化任務

火星大氣與揮發物演化任務（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission，簡稱MAVEN）是美國國家航空航天局火星偵察兵計劃的一部分，由一個軌道衛星觀測火星大氣，尤其是測量大氣逃逸速率，進而研究火星氣候歷史。

諸多線索綜合起來為我們描繪出一幅畫面：那是火星遙遠的過去，那時的火星還有著一層厚厚的大氣層，令這顆星球溫熱暖和，從而使水能夠在火星表面流淌。但如今，地表的水消失不見，而大氣層變得如此之薄，任何水分都會蒸發掉。事實上，殘余的大氣層仍在緩慢地消散于太空中。為什么呢？研究人員認為太陽風和輻射是“幕后黑手”，他們打算開展“火星大氣與揮發物演化任務”來找出原因何在。

“火星大氣與揮發物演化任務”計劃于2013年末以改進型一次性運載火箭發射，于2014年秋季進入環繞火星的橢圓軌道。此任務將花費4.85億美元?！盎鹦谴髿馀c揮發物演化任務”有4個主要科學目標：一是了解從大氣逃逸至太空的揮發物于大氣演化所扮演的角色，進而了解火星大氣、氣候、液態水和行星適居性的歷史；二是了解當今上層大氣與電離層的狀態，還有與太陽風的交互作用；三是了解當今中性粒子與離子從大氣逃逸的狀況與相關機制；四是測得大氣中穩定同位素的比例，以了解大氣隨時間流失的情況。

2. MetNet計劃

MetNet計劃是一個由芬蘭氣象研究所和俄羅斯太空研究機構牽頭，拉沃斯奇金協會、巴貝金航天中心以及一些著名科學家共同協作來完成的火星大氣層探測計劃，其目的是通過一個球形的基盤將探測器“栽種”在火星地面上，用來觀察火星的大氣層，同時還將測量火星的大氣壓力、濕度以及火星總體的氣候狀況。即在火星地面組建由16個氣象站構成的網絡系統，再使用1個軌道飛行器來接力傳送在火星上測得的數據，并反饋至地球上的控制中心。 經過兩個火星年，氣象站網絡系統就能勾畫出一幅正確的火星氣象和氣候狀態全貌圖，此外，MetNet還將測試火星上土壤的導熱性、地震、磁性測量和察看火星地表下存在的冰層。

該科研項目還計劃將MetNet地面探測器安放在“海盜號”和“開拓者”號飛船著陸場地附近的一個恰當位置，目的是比較和對照先前它們在火星表面測得的大氣層數據。同時，科研人員還預言：來自MetNet探測器的一些特殊圖像也將有趣地顯示與“海盜號”和“開拓者”號飛船有關的景象。另外，除了來自火星地面的探測數據會被接力傳送到地球，MetNet軌道飛行器自身也將進行大氣探測和丈量，當這些與火星地面網絡監察系統相結合，就會大大提高從火星探測中所獲數據的正確性。

3. ExoMars任務

ExoMars（Exobiology on Mars）是一個由歐洲航天局和美國國家航空航天局進行的火星探測任務。ExoMars主要的科學任務是尋找火星生命在過去或現在在火星上的生物標記，確定火星表面下淺層的火星上的水和地球化學分布模式，研究火星環境以研判未來載人火星任務的危險性，調查火星表面下與地下深處以更加了解火星的演化和適居性，逐步實現將火星樣本取回的任務。

ExoMars火星探測任務原始概念是歐洲航天局（European Space Agency，簡稱ESA，又譯歐洲太空總署）的旗艦任務-曙光女神計劃的一部份，且該計劃在2005年12月由歐洲的太空相關機構批準。原訂在2011年由聯盟號運載火箭發射，但該計劃重要成員國意大利因為財政因素造成了該計劃的第一次推遲。

后來在2009年7月美國國家航空航天局和歐洲航天局提出的火星探測聯合任務（Mars Exploration Joint Initiative， MEJI）計劃中，ExoMars推遲發射時間，并與另外兩個計劃合并成一個多探測器的計劃，將使用兩個“阿麗亞娜5號”（Ariane 5）運載火箭發射?！盎鹦俏⒘繗怏w任務 ”（Mars Trace Gas Orbiter， TGM）和“火星天體生物學發現-收集者”（Mars Astrobiology Explorer-Cacher， MAX-C）任務被并入該計劃。這將是首次有兩臺火星車在火星同一個地點探測，以互為補充。

從2009年開始歐洲航天局一直與美國國家航空航天局協商合作，預計耗資14億美元。但美國國家航空航天局以缺乏資金為由，于2012年2月正式宣布退出決定。美國國家航空航天局的退出，導致歐洲航天局不得不向俄羅斯遞出橄欖枝。俄航天署在2011年“福布斯-土壤”火星探測器發射失敗后，接受了歐洲航天局的合作想法。2012年4月6日，俄羅斯航天署在莫斯科簽署了相關意向書，同意接替美國國家航空航天局與與歐洲航天局共同實施ExoMars火星探測項目。

目前，ExoMars火星探測任務計劃分兩個階段實施。

第一階段開始于2016年，屆時美國國家航空航天局提供的“阿特拉斯5號”（Atlas V）運載火箭將把歐洲航天局研制的1臺火星微量氣體探測器送入火星軌道，該探測器將用來了解火星大氣中微量氣體的起源和分布，尤其要研究甲烷氣體在某些區域不斷形成的原因。另外，火星微量氣體探測器將把1個靜態登陸器送往火星表面，以驗證歐洲航天局從未驗證過的探測器進入火星大氣、下降和登陸火星的能力。

第二階段開始于2018年，屆時美國國家航空航天局提供的“阿特拉斯5號”火箭將把歐洲航天局研制的ExoMars火星漫游器與美國國家航空航天局研制的火星天體生物學探測-收集器（Mars Astrobiology Explorer-Cacher）送往火星。這兩個探測器上搭載多件重要科學儀器，英國負責其中2件（生命標記芯片和全景攝像機）的研制工作，還參與了另外3件（紅外成像光譜儀、拉曼光譜儀和X射線衍射儀）的研制工作。生命標記芯片借鑒了醫療診斷領域的技術，計劃通過探測有機物來了解火星過去或現在是否存在生命，英國的萊斯特大學、克蘭菲爾德大學和帝國理工學院都參與了它的研制工作。

全景攝像機相當于ExoMars火星漫游器的“眼睛”，它負責引導ExoMars并幫助地質學家了解火星的歷史和結構，這將為ExoMars上鉆頭的取樣選擇最佳的地點。ExoMars上的鉆孔機可以取得最深2米的土壤樣本。鉆孔機可取得土壤或巖石的巖心樣本，并將樣本帶到火星車的樣本盒內進行分析。紅外成像光譜儀（Infrared imaging spectrometer， MicrOmega-IR）可以使用紅外線光譜分析用鉆孔機收集的礦物粉末，以了解火星某區域的地質演進、構造以及成份。這些資料將會是了解火星過去和現在地質作用和環境的關鍵。因為該儀器也有攝影的功用，也可使用該儀器來確定火星表面特定的砂石顆粒，并且可將這些砂石作為火星有機分子分析儀和拉曼光譜儀的觀測目標。拉曼光譜儀 （Raman spectrometer， Raman）將作為紅外線攝譜儀的補充，以提供地質和礦物成分資訊。拉曼光譜儀可以有效判定形成過程和水相關的礦物。X射線衍射儀（Mars X-Ray Diffractometer， Mars-XRD）用于研究火星上已知礦物質的結構，并確定它們是否受到過水的影響以及是否存在生命。

4. 火星樣本取回任務

火星樣本取回任務是一個美國國家航空航天局及歐洲空間局間的聯合計劃，從火星收集巖石及塵埃樣本并且取回地球分析。這將會是第一個從另一個行星收集巖石樣本的任務。不過，以前就已經有樣本從彗星及月球取回了。

任務的內容將取決于發射日期與載具火箭的效能。若在2018年之前，只有“阿特拉斯5號”運載火箭和一次性運載火箭（evolved expendable launch vehicle ，簡寫為EELV）可用。而在2018年之后，“戰神5”（Ares V）應該也可以用了。

火星樣本取回任務將包括一個軌道船、一個登陸器或探測車。軌道船將被設計成可遞送登陸器/探測車至火星，并取回巖石樣本回地球做分析。

5. 載人火星任務

載人火星任務是20至21世紀的太空科學及工程學研究目標，也是科幻小說的主題之一。最終目標不僅是讓人類登陸火星，而是包括火星殖民（包括火衛一及火衛二在內）及火星地球化。2010年4月15日，美國總統奧巴馬在肯尼迪太空中心發表演說，認為美國在2030年代中期，可以將太空人送至火星軌道上，隨后讓太空人登陸火星。美國國會也支持美國國家航空航天局新的發展方向，取消布什總統的2020年載人月球探測計劃，轉而計劃在2025年進行小行星探測及2030年代進行載人火星探測。

因為火星與地球之間的距離，所以火星載人探測任務比月球載人探測任務更加危險且昂貴。想要完成載人火星任務，必須解決幾個關鍵問題：人體暴露在高度宇宙線及游離輻射下所產生的影響，長期處于低重力的環境下對人體造成的影響，長期處于昏暗環境下對人體造成的影響，長期生活在封閉空間所造成的影響，遠離地球、缺乏與地球社會間的聯系所造成的影響。

火星載人探測任務必須攜帶2至3年的燃料，而且太空船至少必須能夠抵擋宇宙輻射。俄羅斯計劃的“火星領航軌道站計劃”使用核反應堆，該計劃草案在2005年曝光。計劃設計于2012年完成，2021年完成太空船建造。歐洲航天局規劃的“曙光女神計劃”是長期的火星載人探測，預計在2030年將人類送上火星。

因為太空人從火星地表返回地球是載人火星任務中最困難的環節之一，所以單程載人火星任務曾多次被提出?？茖W家曾在1998年國際太空發展會議中提出單程載人火星任務，想要在首次載人火星任務中建造永久的太空站。科學家認為單程載人火星任務難度及成本較低，因為太空人不需要返回地球。 （作者單位：安徽淮南聯合大學）