國外火星探測發展態勢分析

張揚眉（北京空間科技信息研究所）

2020年是火星探測任務發射大年，多項火星探測器發射升空，包括阿聯酋的希望號（Hope）、中國的天問一號（Tianwen-1）和美國的“火星2020”（Mars 2020）。

一直以來，火星探測都是空間探測的熱點之一。自蘇聯1960年發射人類首個火星探測器、揭開火星探測的序幕開始，美國、俄羅斯、歐洲、日本和印度等航天國家/地區陸續開展了火星探測活動，取得了大量的探測成果和重大發現。近年來，韓國、阿聯酋等國家也開始涉足空間探測領域，提出月球和火星探測計劃。

從整體上看，目前國外火星探測活動正步入新一輪高潮期，在已經過去的2016、2018年的發射窗口，歐俄和美國先后發射了“火星生物學2016”（ExoMars 2016）和洞察號（InSight），此次的2020年和2022年的火星發射窗口也均安排有密集的火星探測任務。此外，以美國太空探索技術公司（SpaceX）為代表的國外商業航天公司也開始進入火星探測領域，制定了“火星殖民”計劃，期望將來實現人類改造火星、移民火星并進而實現“多星球文明”的遠大目標。

1 國外火星探測科學目標發展情況

火星探測具有重大的科學意義，近60年來，人類探索火星試圖回答以下重大的科學問題：火星是否存在生命活動的信息或曾經孕育過生命？火星是否是太陽系中最有可能改造的、適合人類居住的天體？火星獨特的地形地貌和物理特性，承載了其演化的豐富信息，其演化與太陽系的起源及演化是什么關系？因此，國外火星探測任務的科學目標主要圍繞對火星演化歷史和火星生命信息的探測及研究這兩方面來制定，其中，對火星演化歷史的探測包括火星大氣層、地形的演化、火星的物質組成和化學演化、火星內部物理場和結構的演化等；對火星生命信息的探測包括火星水體探測、鹽類礦物探測、從火星表面的形貌特征反證火星過去存在水體活動、從火星隕石中探尋生命存在的證據等。

按照時間段分類，國外火星探測的發展歷程可分為3個階段，即冷戰時期（1990年前）、20世紀90年代（1990－1999年）和21世紀（2000年至今）。

冷戰時期國外火星探測科學目標發展情況

冷戰時期，蘇聯/俄羅斯一共實施了17次火星探測任務，主要為“火星”（Mars）和“福布斯”（Phobos）系列，這些任務完全以任務成功與否來衡量探測成果，政治目的強烈，科學目標相對淡化，觀測了火星及其空間環境，拍攝了一些火星表面圖像，獲取了一些相關數據；美國在“冷戰”期間共實施了8次火星探測任務，主要為“水手”（Mariner）和“海盜”（Viking）系列，在此之后，美國開始遵循其“火星探測計劃”（MEP）的目標進行火星探測活動。

20世紀90年代國外火星探測科學目標發展情況

20世紀90年代，全球共進行了7次火星探測任務，其中美國5次，俄羅斯和日本各1次。在此階段，美國是火星探測的主角，并開始了其持續至今的“火星探測計劃”，標志性任務為“火星探路者”（MPF），其攜帶的“索杰納”（Sojourner）是全球第一輛在火星表面著陸的火星車。

美國的“火星探測計劃”是美國國家航空航天局（NASA）于1993年制定的一項長期火星探測計劃，目的是探索火星目前的環境、氣候、地質歷史和存在生命痕跡的可能性，即涵蓋了探測火星生命信息和火星演化歷史兩方面的科學目標。

1992年，NASA的“火星觀測者”（Mars Observer）任務失敗，促使NASA正式制定了“火星探測計劃”。廣義上來說，自1993年之后NASA的火星探測任務都屬于“火星探測計劃”。狹義上來說，“火星探測計劃”僅包括NASA財年預算申請中科學領域、行星科學分領域下的“火星探測計劃”項目。按狹義分類統計，目前NASA已經實施的“火星探測計劃”任務包括“火星全球勘測者”（MGS）、“火星氣候軌道器”（MCO）、“火星奧德賽”（Mars Odyssey）、機遇號（Opportunity）、勇氣號（Spirit）、“火星勘察軌道器”（MRO）、鳳凰號（Phoenix）、好奇號（Curiosity），以及“火星大氣與揮發物演變”（MAVEN）。

“火星探路者”著陸器及“索杰納”火星車示意圖

NASA“火星探測計劃”（截至2019年底）

NASA“火星探測計劃”有4項目標：確定火星上是否曾經存在生命；研究火星氣候；研究火星地質情況；為未來的載人探測火星作準備。

早期“火星探測計劃”任務的主要探測目的都是“尋找水”（Follow the Water）。只有在發現了火星上過去和現在存在水的證據之后，才有可能進一步探索火星上是否有生命痕跡。目前，NASA的火星探測器已經發現火星表面有水和支持微生物生存的證據，因此美國2011年發射的好奇號的探測目的則開始轉變為“尋找生命痕跡”。美國“火星2020”任務旨在探尋火星上生命的痕跡，將采集并存儲火星樣品，未來可能的采樣返回任務則將把此次采集的樣品帶回地球。

21世紀國外火星探測科學目標發展情況

21世紀初至2020年7月底，國外共實施了14次火星探測任務，其中美國9次、俄羅斯1次、歐洲2次、印度1次、阿聯酋1次。該階段的火星探測任務的最大特點是大部分任務均成功[俄羅斯的“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）除外]，開展了對火星的長期環繞探測和巡視探測，進行了大量的科學探測試驗任務，獲得了多項重大的科學探測成果。

國外火星探測任務的科學目標集中在火星演化歷史探測和火星生命信息兩方面，而且所有的火星探測任務計劃都有與火星演化歷史探測相關的科學目標。

對于火星生命信息的探測，美國將對火星生命痕跡的探測列入了其火星探測戰略規劃；蘇聯/俄羅斯發射的火星任務多在冷戰期間，主要以領先美國、占據火星探測技術制高點為目的；而日本和印度均只實施了1次火星任務，且印度的火星軌道器僅實現繞火星軌道運行，科學意義不大；歐俄合作的“火星生物學2016”任務著陸器著陸失敗，“火星生物學2018”任務延期到2022年發射，任務名稱相應修改為“火星生物學2022”。

未來，美國將穩步推進其“火星探測計劃”和其他火星探測項目，可能實施火星采樣返回任務，其科學目標將繼續遵循“尋找火星生命信息”的主線，尋找火星上的水，探索生命痕跡，研究火星的可居住性，并為今后的載人火星探測作準備；歐洲也將以其“曙光計劃”（Aurora）為主線，以載人火星探測為長遠目標，未來可能與美國聯合實施火星采樣返回任務；俄羅斯則以重振其空間探測能力為重點，除了與歐洲合作實施火星探測，未來可能獨立實施火衛一（Phobos）采樣返回任務；其他國家如印度、阿聯酋、韓國等，則側重于火星探測的政治目的，對科學目標的選擇不夠系統。

2 國外主要航天國家火星探測戰略規劃

前期的火星探測任務使人們進一步認識到，探索火星對地球環境演變趨勢研究和拓展人類活動疆域具有重大現實意義，因此全球的火星探測熱潮始終持續，甚至愈發激烈。

自20世紀90年代以來，全球共實施了22次火星探測任務，超過同期月球探測的次數（18次），火星已成為主要航天國家的主要空間探測目標和空間技術戰略制高點，是行星探測的首選目標。

美國繼續保持火星探測領先地位，持續推進火星探測

美國空間探測的長期戰略是開展對太陽系的持續探測，包括實現載人火星探測和對其他行星的探測，進而延伸人類的活動疆域。美國進行空間探測既有科學目的，又兼顧政治、科技等其他考慮。一方面探索未知世界，深化人類對宇宙的認識；另一方面，通過探測活動帶動技術的創新和發展，并鞏固其航天領先地位。

2010年，奧巴馬政府調整美國載人探索計劃，將其調整為在2025年實現人類首次訪問近地小行星，2035年左右實施載人繞火星軌道飛行，之后實現載人火星探測。

2012年6月，NASA發布《可持續的載人航天探索路線圖》，提出了一項多目標（地月空間、近地小行星、月球、火星及其衛星）的載人航天戰略，并指出美國空間探測的最終目標是實現載人火星探測，而無人探測作為不可或缺的先驅任務，可為未來的載人任務打下堅實的基礎。

2014年，NASA發布《2014 NASA戰略規劃》，提出在21世紀30年代實現載人火星的探索目標。作為對《2014 NASA戰略規劃》的響應，NASA科學任務部發布《2014年科學計劃》，以“認識太陽系組成、起源、演化及潛在的其他生命”為科學發展目標，勾勒出未來10年行星科學任務發展路線圖，進一步明確美國未來空間探測的方向和目標，計劃在2025年前實施數次火星探測任務。

2015年10月8日，NASA發布《火星之旅：開拓太空探索新篇章》報告，聲稱美國接下來將分3個階段實施載人火星探索系列任務，對美國載人火星探測目標和計劃設想進行了分析和總結。

2018年2月12日，NASA發布《2018年戰略規劃》，以特朗普總統簽署的《航天政策1號令》和美國國家航天委員會（NSC）設定的目標為指導，提出“發現、探索、發展、實現”四大戰略目標，明確了未來數年內NASA的發展方向、主要舉措和重大項目，為重返月球、載人火星探測，以及長期太空探索奠定基礎。

目前，美國正穩步實施以載人登陸火星為最終目標的空間探測戰略規劃，在軌的火星探測器共5個，包括3個軌道器、1個著陸器和1輛火星車。美國未來將繼續深入開展火星探測活動，探測目標仍將是搜尋火星過去或現在的生命跡象，未來任務包括無人火星采樣返回任務，以及接替在軌火星探測器的新型火星軌道器，為將來載人火星探測奠定技術基礎，確保美國在火星及空間探測領域的霸主地位。

俄羅斯在火星探測領域尋求國際合作，欲重筑空間探測能力

從歷史上看，蘇聯/俄羅斯在火星探測方面發射次數多，探測方式多樣，但絕大多數任務集中在美蘇冷戰時期，而且任務失敗率高，20世紀90年代以后獨立發射的2次火星任務也遭遇失敗。

俄羅斯在2011年“福布斯-土壤”任務發射失敗后，重新審視并調整了其空間探測規劃，將大多數空間探測任務的發射時間延遲到2016年以后。根據俄羅斯2016年通過的《2016－2025年聯邦航天發展規劃》和2018年提出的月球探索路線，未來10年俄羅斯將重點開展無人月球探測，圍繞月球極區進行探測活動，為未來可能的載人探月和月球基地的建設打下基礎。此外，俄羅斯還將繼續與歐洲合作實施“火星生物學2022”任務，并計劃于2024年實施遠征－M（Expedition－M）任務，探測火星及其衛星，并從火衛一帶回土壤樣品。但由于近年來俄羅斯進行了一系列航天工業調整和改革，加上政治、經濟大環境以及預算削減等因素，俄羅斯的新月球探測任務發射時間不斷延期，后續獨立的火星探測任務發射時間也并不明確。

目前，俄羅斯已于2016年和歐洲聯合進行了“火星生物學2016”任務，并正進行“火星生物學2022”以及遠征－M火衛一采樣返回任務的研制工作。

歐洲依托國際合作，圍繞“曙光計劃”實施火星探測任務

歐洲的深空探測以“曙光計劃”為主線，以“宇宙愿景2015－2025”（Cosmic Vision 2015－2025）為指導框架實施。“曙光計劃”是歐洲航天局（ESA）于2004年2月3日公布的一項以載人火星探測為最終目標的無人和載人空間探測規劃。該計劃以火星探測為核心開展關鍵技術的研發，同時將月球探測作為驗證未來載人火星探測技術的必要過程，最終目標是實現載人登陸火星。但是就ESA執行“曙光計劃”的實際情況看，受歐洲的政治、經濟等大環境的影響，“曙光計劃”中的載人探測部分受到ESA主要成員國（法國、德國和意大利）的質疑和挑戰，ESA各成員國并未在該路線圖的最終目標—載人探測上達成一致意見，路線圖上大量計劃內容都被延期甚至擱置。目前，ESA明確將執行的“曙光計劃”任務僅為“火星生物學”。

獵兔犬－2著陸器

在火星探測方面，ESA于2003年成功發射了其首個火星探測器—“火星快車”（Mars Express），其攜帶的獵兔犬－2（Beagle－2）著陸器在著陸時墜毀，但軌道器目前仍在軌運行。歐俄合作的“火星生物學2016”任務也已成功發射，探測器成功入軌，試驗著陸器著陸失敗。“火星生物學”第二階段“火星生物學2018”任務延期到2020年，后又延期到2022年，并更名為“火星生物學2022”。

未來，ESA還將與NASA合作實施火星采樣返回任務，負責研制取樣火星車和地球返回軌道器。另外，法國國家空間研究中心（CNES）與日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）還計劃合作開展“火星衛星探測”（MMX）任務。

日本發揮小行星采樣返回技術優勢，未來將進行火星衛星采樣返回探測

日本的空間探測發展路徑與美、俄有顯著不同，并未開展長期而宏大的、針對單一目標天體的綜合探測活動，而是選擇小行星作為突破點。目前，日本已發射了彗星、火星、月球、金星和小行星探測器，其中彗星探測、月球探測和小行星探測都獲得成功，尤其是小行星采樣返回探測水平世界領先。但1998年發射的唯一的火星探測器—“希望”（Nozomi）探測器任務失敗。

日本未來空間探測短期目標是月球探測、小天體采樣返回探測和水星探測，長期目標是實現載人登月和月面長期生存，建立月球基地，開展月球資源利用。日本未來還將開展大天體的環繞探測，包括火星以及木星綜合探測等。日本還明確指出，要通過國際合作開展大天體探測等復雜的空間探測任務。

2018年12月11日，日本內閣府航天戰略本部公布2018年修訂版《宇宙基本計劃》，更新了至2034年的航天項目進度，明確了日本未來將牽頭并與美歐合作開展“火星衛星探測”任務，參與歐洲的“木星與冰層衛星探測器”（JUICE），與德國合作研發“命運+”（DESTINY+）深空技術驗證任務，繼續推進“月球探測智能著陸器”（SLIM）的研發等。

2020年2月19日，JAXA宣布“火星衛星探測”任務獲得正式批準，將進入全面研發階段。該任務計劃于2024年發射，將觀測火衛一和火衛二（Deimos）兩顆火星衛星，降落在火衛一表面并采集表面樣品，最終于2029年將樣品送回地球。

印度將火星探測納入國家航天發展計劃

印度一直主張通過發展空間技術促進民用技術的發展。印度總理莫迪也曾多次指出，空間技術發展象征著印度的科學技術成就。但實際上，印度進行空間探測任務，其政治目的重于科學目的。印度將日本和中國作為空間探測的主要競爭對手，其空間探測目的首先是顯示實力，提升航天地位，其次才考慮科學探測成果。

印度在其“十二五”規劃中，就將火星探測正式納入國家航天發展計劃，并于2013年開展了首次火星探測任務。在實現火星探測領域零的突破后，印度提出將實施第二次火星探測任務—曼加里安－2（Mangalyaan－2），目前該任務的計劃發射日期為2024年左右，可能攜帶著陸器和火星車。

3 全球各航天國家火星探測的能力水平分析

從火星探測的技術能力維度看，目前在火星探測領域，國外已經實現了火星飛越、環繞、著陸和火星車巡視勘察探測。其中，美國已經全面具備火星飛越、環繞、著陸、巡視勘察探測能力，在火星探測領域占絕對領先地位；蘇聯/俄羅斯具備火星飛越、環繞、著陸探測能力，但其大部分任務都集中在冷戰期間，在此之后進行的兩次任務都以失敗告終，最近與歐洲合作發射的“火星生物學2016”任務部分成功；歐洲通過唯一的一次獨立的火星探測任務，掌握了火星飛越和環繞探測能力；日本的火星軌道器任務未能成功，但該次任務使日本具備了火星飛越探測能力；印度也通過其首次火星軌道器任務，掌握了火星環繞探測技術。

國外火星探測能力對標

美國是全球唯一實現火星著陸和巡視探測的國家，其火星探測技術占據全球霸主地位。美國的火星探測技術先進，尤其是2011年發射的好奇號火星車任務，是美國火星探測的里程碑，首次驗證了“空中吊車”精準著陸技術，其精確著陸的成功實現標志著美國火星探測技術取得標志性突破。美國最近發射的“火星2020”，相比好奇號，其著陸橢圓的范圍減小50%，達到約10km，此外該次任務還將首次使用火星直升機。從美國1964年發射水手－4火星探測器以來，美國的火星探測經歷了掠飛器、軌道器、著陸器、著陸器/火星車以及獨立的大型火星車等5個技術發展階段。

蘇聯/俄羅斯的火星探測技術在全球處于領先地位，火星探測任務數量僅次于美國，但其所有成功的任務都是在冷戰期間實施的，20世紀90年代后僅進行了兩次獨立的火星探測嘗試，均告失敗。

其他國家和地區，如歐洲、日本和印度，具備了火星飛越或環繞能力，尤其是日本和印度實現了從無到有的轉變。

好奇號著陸火星

未來，美國將以突破火星采樣返回技術為里程碑，重點研發火星采樣返回相關的關鍵技術，例如，樣品獲取與封裝技術、行星保護技術、精準著陸技術、火星車的危險規避和移動技術、火星上升器技術、交會與樣品捕獲技術、地球再入器技術等；而歐洲和俄羅斯將繼續合作實施火星巡視勘察任務，計劃掌握火星著陸技術和巡視勘察技術，此外歐洲也將參與美國的火星采樣返回任務；日本則將利用其小行星采樣返回技術優勢，重點突破火衛一或火衛二采樣返回技術。其他國家大多還是以突破火星環繞技術為主要目標，重視實現工程目標，而相對忽略科學目標。