2020密集的火星探測計劃

□遲惑

2020密集的火星探測計劃

□遲惑

2020年前后，是全球火星探測任務相對密集的一個時期。美國、歐洲、俄羅斯、中國都將獨自或聯合發射火星探測器。考慮到平均每兩年才有一次從地球奔向火星的時間窗口，2020年前只有2018 年5月適合發射火星探測器，之后便是2020 年7月。因此，在這兩個窗口內集中了6次發射、10個探測器，堪稱人類有史以來探索火星最為密集的時期。

“洞察”

“洞察”是一臺火星著陸探測器，它原本打算在2016年發射，但是由于法國宇航局負責研制的主要載荷——地震分析儀在2015年總裝時發生了漏氣事故，只能推遲到下一個時間窗口，也就是2018年5月5日。“洞察”的基本構型沿用自“鳳凰”火星探測器。它沒有漫游功能，只能固守一點探測周圍地區。

“洞察”曾經被叫做GEMS，意思是地質物理學監視站，2012年改用現在的名字。這個型號是在2010年從28個備選項目里脫穎而出的，在2011年，“洞察”和另外兩個型號一起獲得了預先研究資金。到2012年8月，另外兩個項目被淘汰，“洞察”進入了工程研制和發射準備階段。

題圖：“紅龍”降落在火星上的想象圖

火星2020的漫游車，有一個很精巧的機械臂

“洞察”項目由美國航宇局(NASA)噴氣推進實驗室負責管理，不包括火箭發射服務的總預算不超過4.25億美元。

在火星內部結構地震分析儀發生漏氣事故后，噴氣推進實驗室接管了研發工作，給它研制一個新的密封容器。法國宇航局依舊負責儀器總裝和測試。

2016年3月9日，NASA正式對外宣布了這次延誤造成的損失——1.5億美元。不過NASA并沒有說明，是由法國還是由美國來付這筆錢。

“洞察”的主要目標，是研究火星的早期演化史。科學家們如今認為，太陽系內行星帶的巖石類行星是通過一種叫做吸積的過程形成的，致密的天體會不斷吸收周邊的物質，體積不斷增大，內部溫度逐漸升高，逐步形成硬質的行星。“洞察”的任務之一，就是對這個過程加以研究。研究火星地質，對于研究地球自身的地質歷史有重要意義。因為地球和火星的尺寸相似，而火星上一直沒有人類活動，保持了深入、精準的歷史記錄。

“紅龍”

“紅龍”是埃隆·馬斯克的下一個狂想，它沿用了太空探索技術公司現有的“龍”飛船構型，是一種低成本火星著陸器。“紅龍”擬用重型獵鷹發射，不僅承擔探測任務，也是這家公司火星殖民地計劃的先導。按照馬斯克在2016年9月演講時發布的消息，打算用多個“紅龍”飛船結陣，成為最早的火星營地，然后逐步擴展。

太空探索技術公司和NASA埃姆斯中心在2011年聯合研究，討論是否可以把正在研制的載人型龍飛船用于火星任務，把載荷送往火星并成為載人任務的先導。當時定下的指標是提供7立方米內部空間，運送最多1噸載荷前往火星。

“紅龍”的具體任務包括以下四項：搜尋生命證據，死的活的都要；評估在火星表面居住的可能性；考察火星地表水冰的形成、分布和組成；通過地表水冰的數據考察火星歷史氣候。

到2014年，NASA又對“紅龍”方案提出了更高要求，希望它能實現某些采樣返回任務。這樣就必須增加火星上升飛行器、地球再入飛行器，還需要一些用來輸送和采集火星巖石樣品的設備，其中包括火星車。

對這兩個概念，NASA都不打算出一個子兒。

到2016年4月27日，太空探索技術公司宣布，打算在2018年發射一艘私人投資的“龍”飛船前往火星。NASA打算提供一些技術，用來交換飛船在進入火星大氣、下降和著陸時獲得的數據，還打算投入價值3000萬美元的人力和設備來監控“紅龍”任務。

我們知道，載人“龍”飛船原本用于地球軌道上的天地往返，它打算用一種反推發動機來實現再入段的減速，而不是傳統的降落傘。在返回地球的過程中，它需要消耗掉1900千克的推進劑。如果用于火星，這種方式可以選擇一個高海拔的著陸點。太空探索技術公司的團隊目前正在考慮火星極區或者某個中緯度地點。這里更容易找到淺地表埋藏的水冰。

火星地外生命探測器

這是2020年前后規模最大的一個火星探測任務，也是最為曲折的一個。

火星地外生命探測器（以下簡稱“火星生命”）的計劃經歷了幾個不同的階段。這個項目最初在2005年由歐空局提出，當時考慮歐洲和美國合作研究，是歐空局奧羅拉空間探索計劃的首要任務。2007年，歐洲EADS公司和加拿大MDA公司聯合中標，進行方案設計和樣機研制，打算在2011年用俄羅斯聯盟火箭發射。2009年，NASA正式宣布加入“火星生命”計劃，并搭載發射美國研制的火星氣體跟蹤軌道器。這樣就需要用推力更大的火箭發射，因此從“聯盟”換成了美國“宇宙神”5火箭。

2009年8月，俄羅斯聯邦航天局宣布加入“火星生命”計劃，用福布斯-土壤計劃獲取的數據與“火星生命”合作，以俄羅斯“質子”火箭作為備份發射工具，俄羅斯還為“火星生命”漫游車提供一些部件。

到2009年12月，歐空局和NASA達成正式協議，“火星生命”探測計劃分兩個步驟實施，在2016年和2018年分別發射一次，總費用12.3億美元。第一次發射NASA研制的MAX-C漫游車，第二次發射“火星生命”漫游車。

然而到了2011年8月，NASA因為經費困難，只能取消了MAX-C。這讓整個“火星生命”計劃的進度遭到重大打擊。歐空局只能把計劃縮小，只發射一部火星車，也就是“火星生命”。為了部分彌補MAX-C被取消造成的能力缺失，“火星生命”的尺寸擴大了一些。所使用的火箭依然由NASA提供，同時還提供用于著陸的飛行天車系統。

到了2013年，NASA再次跳票。因為奧巴馬政府的預算困難和“詹姆斯·韋伯”空間望遠鏡的超支，NASA完全放棄了對“火星生命”計劃的參與，火箭和著陸車都不再提供。

①“洞察”探測器正在安裝熱護罩

②“洞察”的降落傘正在實施風洞測試

③火星希望探測器的想象圖

2013年3月歐空局和俄羅斯航天局正式簽署協議，由俄羅斯完全取代美國此前的角色。俄羅斯提供兩枚“質子”火箭和微風-M上面級，成為“火星生命”計劃的發射服務提供者。同時，俄羅斯要設計新的火星再入、下降和著陸系統。作為回報，2016年發射的火星氣體跟蹤軌道器上要搭載兩部俄羅斯研制的設備，它們最初是為福布斯-土壤研制的。所有科學成果的知識產權由歐洲和俄羅斯共同擁有。

歐空局最初為“火星生命”計劃準備了10億歐元，但是被NASA攪局之后，被迫追加了好幾億歐元。為此，波蘭和羅馬尼亞又提供了7000萬歐元。

俄羅斯也宣布，為“火星生命”計劃提供價值12盧布（4070萬美元）的資金。

2014年，歐洲空客航天防務集團的英國分公司開始建造“火星生命”漫游車。估計到2018年前，整個計劃還有1億歐元的資金缺口。

2016年1月，歐空局宣布，2018年的發射計劃未必能實現。其中最大的麻煩是意大利，其次是英國，兩國都沒能提供足夠資金支持。錯過2018年發射窗口后，就只能推遲到2020年7月發射了。

“質子”火箭的可靠性也是很大的問題。到2015年5月，“質子”共發射100次，但其中10次失敗。這對于沒有備份的科學任務來說，有點不能讓人放心。2016年火星微量氣體觀測軌道器（TGO）發射期間，“質子”火箭也發生了驚險事件。TGO和微風上面級分離后，后者忽然發生爆炸，不過TGO毫發無傷，目前正在飛往火星途中。

“火星生命”計劃的目標有5項，首先是搜尋火星上的生命痕跡，同樣是死的活的都要；測繪火星淺地表下的水和其他化學物質分布；研究火星表面環境、確認未來載人任務可能面臨的風險；研究火星地下和深地下情況，以了解火星的演變和宜居性；為采樣返回做準備。

④馬斯克打算用這個巨型燃料罐作為重型獵鷹火箭的核心部件，送“紅龍”去火星

⑤空客公司向公眾展示火星車樣機

⑥阿聯酋航天局宣布出資研制“火星希望”探測器

“火星希望”

“火星希望”是2020年時段各火星探測器中最簡單的一個，它的發起者也是迄今為止最令人意外的一家：阿拉伯聯合酋長國。

“火星希望”的任務規劃相對簡單，只是純粹的繞飛器。它的背后依然是美國科研單位，其中包括科羅拉多大學、加利福尼亞州立大學伯克利分校、亞利桑那州立大學。阿聯酋宇航局擔任名義上的項目管理方。“火星希望”打算用日本H-2A火箭發射。

“火星希望”所攜帶的儀器比較簡單，只有一臺可見光成像儀、一臺紅外頻譜儀和一臺紫外線成像儀。前兩者的用途都是尋找火星上可能的水冰、水蒸汽，探索大氣中的灰塵，可見光成像儀還具備探測臭氧的功能。紫外線成像儀用于探測熱層及氫、氧成分。

“火星2020”

接下來就要說到美國的“火星2020”計劃了。這個計劃和歐洲的“火星生命”有著很大的相似性，以致有人懷疑，NASA當年加入“火星生命”計劃是為了攪局。

“火星2020”的核心是一部火星漫游車，主要任務是研究與生命相關的火星古代環境，研究火星地表的地質學演變過程和歷史，其中包括研究火星過去的宜居性和可能的生命。

2012年12月，NASA在美國地理聯合會大會上宣布了“火星2020”計劃，但當時還沒有命名。NASA當時展示了一部從“好奇”號發展而來的火星車，但所攜帶的科學儀器有所不同。到2014年，NASA正式宣布了所攜帶的儀器名稱和功能。

這臺火星車的重要功能之一，是幫助設計師們判斷火星沙塵暴可能造成的危害，是否可以利用火星大氣中的二氧化碳來制造氧氣，為未來的載人探索服務。同時，為更加精確的著陸技術做演示驗證。如果有關技術取得成功，不但能發射更大、更復雜的探測器到火星，也將有利于載人飛船降落技術的開發和成熟。

這項任務的總費用大約是21億美元，比“火星生命”貴得多。法國、丹麥等國也在“火星2020”上搭載了儀器。主要儀器是X射線熒光分光計、探地雷達、環境動態分析儀等。

中國做什么？

在2017年的“兩會”上，全國政協委員、中國科學院院士葉培健又一次就中國火星探測發表了意見。他表示,國內航空航天有關部門現正在探索火星探測器的研制工作,預計2020年將發射中國首個火星探測器，經過7個月的飛行，于2021年飛抵火星進行科學探測。他還說，在這次任務當中，將完成對火星的全球觀測,這在全世界是第一次。

為什么中國也這樣關心火星呢？葉培健說，在太陽系八大行星當中，火星是最近似地球的一個行星，根據現在人們對火星的認識，火星經過改造后人是可以生存的，因此在太陽系里面，最適合人類移居的星球就是火星。

火星是距離地球最近、和地球相似度最大的行星，也是人類星際移民的首要目的地。雖然現在各國還沒有實際規劃載人探索火星任務，但相關前期準備工作已經緊鑼密鼓地展開。火星距離地球遙遠，因此必須考慮長期留守的生活物資就地制造問題。這是火星探索最大的困難，一旦突破，不但可以服務于火星移民，也將成為人類真正邁向宇宙的關鍵性突破。所以，2020年前后的火星探索高潮，將在人類歷史上留下濃墨重彩的一筆。