火星，我們來(lái)了

2019年被不少人稱為“中國(guó)航天超級(jí)2019”，而2020年，中國(guó)航天將進(jìn)一步延續(xù)“超級(jí)模式”。2019年12月下旬，國(guó)家航天局首次公開了我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)。

今年是火星探測(cè)器的發(fā)射窗口，我國(guó)的火星探測(cè)將通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視，對(duì)火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測(cè)，并對(duì)局部地區(qū)開展巡視探測(cè)，這在世界火星探測(cè)史上是前所未有的。

探測(cè)火星方式共有五種

火星是太陽(yáng)系中與地球最相似且距離第二近的行星，因此成為目前除地球以外人類研究程度最高的行星，探測(cè)火星對(duì)研究地球、生命的起源和演變，了解火星的氣候、地質(zhì)和資源，為今后在其上建立人類第二個(gè)家園做準(zhǔn)備等，都具有重要的意義。

人類探測(cè)火星的方式與探測(cè)月球的方式基本相似，包括環(huán)繞探測(cè)、著陸探測(cè)、巡視探測(cè)、采樣返回探測(cè)和載人登陸探測(cè)等5種。其中采用環(huán)繞探測(cè)方式可以對(duì)火星進(jìn)行普查;采用著陸探測(cè)和巡視探測(cè)方式可以對(duì)火星進(jìn)行區(qū)域性詳查;采用采樣返回探測(cè)和載人登陸探測(cè)方式可以對(duì)火星進(jìn)行區(qū)域性精查。但它們按前后順序來(lái)說(shuō)技術(shù)難度是越來(lái)越大，所以一般都采用循序漸進(jìn)的方針，先進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)，然后進(jìn)行著陸探測(cè)、巡視探測(cè)、采樣返回探測(cè)，最終進(jìn)行載人登陸探測(cè)。

目前，人類在探月的歷程中，這些探測(cè)方式都采用過，但每次發(fā)射基本上只采用其中的一兩種探測(cè)方式。例如，我國(guó)嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)采用環(huán)繞探測(cè)方式，嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)采用著陸探測(cè)、巡視探測(cè)，即一次發(fā)射兩個(gè)探測(cè)器，即將發(fā)射的嫦娥五號(hào)采用采樣返回探測(cè)方式，將從月球上取回2公斤樣品到地球，供我國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行精查。

與月球探測(cè)相比，火星距地球的距離比月球距地球的距離遙遠(yuǎn)得多，探測(cè)火星的難度也比探測(cè)月球的難度大得多，因此，至今人類對(duì)火星的探測(cè)只采用過環(huán)繞探測(cè)、著陸探測(cè)、巡視探測(cè)方式，未來(lái)的目標(biāo)是對(duì)火星進(jìn)行采樣返回探測(cè)和載人登陸探測(cè)，但難度、投資和風(fēng)險(xiǎn)都將很大。

中國(guó)火星探測(cè)工程十年目標(biāo)

我國(guó)火星探測(cè)起步較晚，但隨著探月工程取得重要進(jìn)展，我國(guó)已具備開展火星探測(cè)的能力。適時(shí)開展火星探測(cè)，可以在空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用領(lǐng)域加速實(shí)現(xiàn)從跟蹤研究向自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)從航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。2016年4月22日，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)正式立項(xiàng)，計(jì)劃在2020年通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星軌道器環(huán)繞探測(cè)和火星車軟著陸巡視探測(cè)。

火星探測(cè)的首要科學(xué)問題是探測(cè)火星上的生命活動(dòng)信息，期待在此領(lǐng)域有所突破。這包括現(xiàn)在生命的信息，過去是否存在過生命，火星生命生存的條件和環(huán)境，生命起源和地外生命探索。其次是火星磁層、電離層與大氣層的探測(cè)與環(huán)境科學(xué)等本體科學(xué)研究。第三是探討火星的長(zhǎng)期改造與今后建立人類第二個(gè)棲息地的前景。

中國(guó)月球探測(cè)工程首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)自遠(yuǎn)說(shuō)，科學(xué)家擔(dān)心人類未來(lái)的命運(yùn)，因?yàn)槲覀兊厍蚴艿教嗟淖匀煌{，再加上人類自身的一些行為，未來(lái)很可能把地球破壞得不能夠宜居了。所以我們一定要在太陽(yáng)系里面找一個(gè)對(duì)象，探討能否把它變成第二個(gè)地球，讓人類能夠大量地遷居到上面去。目前看，唯一可能的一個(gè)天體就是火星。

2018年，歐洲空間局的火星快車號(hào)探測(cè)器在火星南極發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“可能的液態(tài)湖”。而后新的證據(jù)顯示，火星曾經(jīng)是一個(gè)液態(tài)水十分充沛的星球。現(xiàn)在火星表面一滴水都沒有，火星表面的鹽湖干了以后只剩下了鹽。中國(guó)要探明整個(gè)火星地下水的分布。

總體來(lái)說(shuō)，2030年前，我國(guó)火星探測(cè)的主要任務(wù)就是環(huán)繞遙感探測(cè)、軟著陸巡視探測(cè)和采樣返回，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星從全球普查到局部詳查再到樣品實(shí)驗(yàn)室分析的科學(xué)遞進(jìn)。

環(huán)繞遙感探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)著眼于對(duì)火星的全球性探測(cè)，致力于建立火星的總體、全局的科學(xué)概念;軟著陸巡視探測(cè)科學(xué)目標(biāo)著眼于對(duì)火星局部地區(qū)的重點(diǎn)探測(cè)，主要開展火星科學(xué)實(shí)驗(yàn);采樣返回的科學(xué)目標(biāo)著眼于著陸點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析、火星樣品的分析研究，主要開展比較行星學(xué)研究。

“繞”“落”“巡”一步完成屬首次

一次發(fā)射完成多種探測(cè)的好處是可以“少花錢，多辦事”，但技術(shù)復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)很大，所以一般很少采用。目前，只有美國(guó)的海盜1號(hào)和海盜2號(hào)火星探測(cè)器成功實(shí)現(xiàn)了通過一次發(fā)射完成環(huán)繞探測(cè)和著陸探測(cè)。歐洲曾兩次進(jìn)行類似的火星探測(cè)活動(dòng)，但都只完成了環(huán)繞探測(cè)，而著陸探測(cè)均告失敗。

1975年8月20日和同年9月9日，美國(guó)先后發(fā)射了海盜1號(hào)和2號(hào)，任務(wù)是搜尋火星生命存在的證據(jù)。它們基本一樣，都是由一個(gè)約2.3噸重的軌道器和一個(gè)1.1噸重的著陸器組成，飛到火星附近時(shí)分離，其中軌道器進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道進(jìn)行在軌觀測(cè)，著陸器進(jìn)入火星大氣并在火星表面著陸，但它們的著陸地點(diǎn)不同。

1976年6月19日，海盜1號(hào)軌道器進(jìn)入環(huán)繞火星軌道，同年7月20日，海盜1號(hào)著陸器在火星表面著陸，成為世界上首個(gè)在火星上著陸的探測(cè)器。1976年8月7日，海盜2號(hào)軌道器進(jìn)入環(huán)繞火星軌道，同年9月3日，海盜2號(hào)著陸器在火星表面著陸。它們?yōu)楹髞?lái)的火星探測(cè)器在火星軟著陸奠定了基礎(chǔ)。英國(guó)和歐洲航天局就沒有這么幸運(yùn)了。2003年6月2日，歐洲“火星快車”探測(cè)器升空。它是由歐洲的“火星快車”軌道器和英國(guó)的獵兔犬2號(hào)著陸器兩部分組成。2003年12月19日，著陸器與軌道器分道揚(yáng)鑣，其中歐洲軌道器于2003年12月25日進(jìn)入環(huán)火星軌道，然后開始探測(cè)工作，并超期服役至今。著陸器在與軌道器分離后就失去了聯(lián)系，一直沒有音訊，使英國(guó)乃至歐洲航天界百思不得其解。直到2015年1月16日，英國(guó)航天局發(fā)布聲明稱，通過美國(guó)“火星勘測(cè)軌道器”拍攝的高分辨率圖像，在火星表面發(fā)現(xiàn)了10余年前失蹤的英國(guó)獵兔犬2號(hào)著陸器。圖像顯示，獵兔犬2號(hào)降落在預(yù)定著陸區(qū)，它的引導(dǎo)傘仍連著著陸器，主降落傘散落在附近，太陽(yáng)能電池板沒有完全展開，所以導(dǎo)致其無(wú)法與地球取得聯(lián)系。

2016年3月14日，歐洲的“火星生物學(xué)-2016”探測(cè)器升空。它由歐洲“微量氣體軌道器”和“夏帕雷利”進(jìn)入、降落和著陸演示器組成。其中軌道器主要用于探測(cè)火星大氣中的微量氣體;著陸器用于火星表面著陸試驗(yàn)。同年10月16日，著陸器與軌道器分離。此后，“微量氣體軌道器”經(jīng)過變軌進(jìn)入到預(yù)定的火星軌道，但原計(jì)劃于2016年10月20日在火星表面著陸的“夏帕雷利”在著陸火星表面前與地面失去了聯(lián)系，原因是一個(gè)僅一秒的計(jì)算失誤，提前將降落傘與防熱罩分離了，導(dǎo)致“夏帕雷利”硬著陸而撞毀。

簡(jiǎn)言之，采用“一舉多得”的方式探測(cè)火星比較少見，只有上述4次，成功率為50%。所以，我國(guó)明年在首次發(fā)射火星探測(cè)器時(shí)計(jì)劃史無(wú)前例地通過一次發(fā)射完成火星環(huán)繞、著陸和巡視3項(xiàng)任務(wù)，起點(diǎn)很高，同時(shí)也具有很大的挑戰(zhàn)性。

著名航天專家葉培健院士在接受采訪時(shí)表示：我們?nèi)粝雽?shí)現(xiàn)超越，必須要“彎道超車”，利用現(xiàn)有的技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩步并一步走。如果2020年發(fā)射成功，可以在2021年7月以前抵達(dá)火星。我國(guó)火星探測(cè)無(wú)論在巡視器上，還是軌道器上都有很多不同的有效載荷，可實(shí)現(xiàn)各種科學(xué)目標(biāo)，這是很有意義的。

我國(guó)很早就開展了相關(guān)研究，2016年6月初樣方案就完成了。屆時(shí)，實(shí)施我國(guó)火星探測(cè)“繞”“落”“巡”一步完成，這一跨越式方案在全世界都是首次。

火星探測(cè)新高潮即將來(lái)臨

2020年7月至8月，中國(guó)、美國(guó)、歐俄和阿聯(lián)酋都將發(fā)射火星探測(cè)器，從而掀起火星探測(cè)的新高潮。

美國(guó)將發(fā)射汽車大小的火星-2020漫游車，它是目前在火星表面工作的好奇號(hào)火星車基礎(chǔ)上改進(jìn)的，火星車底盤大體不變，并仍采用“空中吊車”方式著陸。該火星車有四大特點(diǎn)：一是將收集最有希望的內(nèi)部巖石和土壤的樣本，然后放置在火星表面上，未來(lái)將發(fā)射探測(cè)器把樣本帶回地球;二是裝有23臺(tái)相機(jī)，其中的多譜立體成像儀將為科學(xué)家提供更多高分辨率、色彩鮮明的3D圖像;三是攜帶了火星氧元素原位資源利用實(shí)驗(yàn)儀，可以將占火星大氣96%的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣;四是攜帶一架每天可工作3分鐘、飛行1公里的小型無(wú)人駕駛直升機(jī)，可前往漫游車難以到達(dá)的地區(qū)或生物敏感地區(qū)進(jìn)行區(qū)域勘探。

歐俄的火星生物學(xué)-2020探測(cè)器由歐洲首輛火星車“羅莎琳德·富蘭克林”（發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的科學(xué)家）和俄羅斯“哥薩克舞”火星表面平臺(tái)組成。歐洲火星車裝有6個(gè)輪子，每個(gè)火星日移動(dòng)大約100米，可適應(yīng)火星表面復(fù)雜的地形。它由太陽(yáng)能電池板供電，通過加熱器和電池過夜。它的兩米長(zhǎng)鉆頭將嘗試挖掘埋藏在火星地表下的生命元素。質(zhì)量為827.9千克的俄羅斯“哥薩克舞”火星表面平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命為一年，用于研究火星的環(huán)境。不過，在今年早些時(shí)候的兩次主要測(cè)試中，歐洲火星車的降落傘都出了問題。

阿聯(lián)酋的首個(gè)火星探測(cè)器叫希望號(hào)，為緊湊型六棱柱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壽命為兩年，發(fā)射質(zhì)量為1.5噸，用日本H-2A運(yùn)載火箭送入太空，采用環(huán)繞探測(cè)火星方式研究火星大氣和環(huán)境。

星空浩瀚無(wú)比，探索永無(wú)止境。火星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)的逐步推進(jìn)是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的工程，我們相信，通過航天人的不懈努力，中國(guó)的深空探測(cè)一定會(huì)不斷取得突破，火星也必將是21世紀(jì)人類踏上的第一顆地外行星。

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