火星空間探測的歷程（二）

□ 張 瑩

火星空間探測的歷程（二）

□ 張 瑩

在火星表面漫游的“火星科學(xué)實驗室——好奇號漫游車”，美術(shù)概念圖，Credit：NASA/JPL-Caltech

美國的火星勘測軌道飛行器

21世紀(jì)的頭十年稱得上是人類探測火星的大好時期，不僅發(fā)射的探測器數(shù)目多，而且成功率非常高。在這十年中，世界上共發(fā)射六個火星探測器，除歐洲“火星快車”的著陸器過早地失去聯(lián)系外，其他探測器都取得了成功。2005年8月12日，美國國家航空航天局成功發(fā)射了“火星勘測軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter）”，2006年3月10日它進(jìn)入火星軌道，經(jīng)過軌道調(diào)整，2006年11月開始火星探測。

火星勘測軌道器是一個多用途的火星探測器。一方面，它裝備了多個科學(xué)儀器，勘測火星的地形、地層、礦物和冰物質(zhì)，研究火星的氣候規(guī)律、天氣現(xiàn)象和大氣狀況等；另一方面，通過上述勘測它為未來的火星著陸探測器選擇登陸地點；同時，火星勘測軌道器是一個通訊聯(lián)系的中轉(zhuǎn)站，擔(dān)當(dāng)?shù)厍蛏系目茖W(xué)家和火星表面探測器之間通訊的橋梁。最初，它的預(yù)期工作期限是2006年11月至2008年11月兩年的時間，該探測器表現(xiàn)非常出色，到目前仍然處于工作狀態(tài)。

火星勘測軌道器攜帶了包括高分辨相機(jī)在內(nèi)的三個相機(jī)、一個光譜儀、一個氣候測探器和一個雷達(dá)等探測設(shè)備，其中高分辨相機(jī)的口徑為0.5米，在火星表面300千米的高空，它可以分辨大小0.3米的物體，它是當(dāng)時深空探測器中分辨率最好的相機(jī)?；鹦强睖y軌道器不負(fù)眾望，取得了不少新的探測成果?；鹦强睖y軌道器測量得出，火星北極冠中水冰的含量約為82.1萬立方千米，相當(dāng)于地球上格陵蘭島覆冰的30%；它還在多個環(huán)形山和一個峭壁附近發(fā)現(xiàn)了水冰的存在；根據(jù)火星勘測軌道器的觀測數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，火星表面存在多種與水相關(guān)的化合物，如氯化物和層狀硅酸鹽等；另外，火星勘測軌道器還觀測到火星北極冠中的幾次冰山雪崩現(xiàn)象。

在圍繞火星的軌道上飛行的火星勘測軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter），美術(shù)概念圖，Credit：NASA/JPL/Corby Waste ；左下角插圖，火星勘測軌道器在火星撞擊坑中發(fā)現(xiàn)水冰。

鳳凰號火星著陸器，美術(shù)概念圖，Credit：NASA/ JPL-Caltech/UA/Lockheed Martin

第一個在火星極區(qū)附近登陸的探測器——鳳凰號

鳳凰號火星著陸器（Phoenix Mars Lander）是由多家機(jī)構(gòu)合作的火星探測項目，該項目由美國亞利桑那大學(xué)的月球和行星實驗室牽頭，在美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實驗室的指導(dǎo)下進(jìn)行，包括美國、加拿大、瑞士、丹麥、德國、芬蘭的多個大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)參加。鳳凰號火星著陸器于2007年8月4日發(fā)射，2008年5月25日降落在火星表面。它是第一個在火星極區(qū)附近著陸并進(jìn)行科學(xué)實驗的探測器，它的著陸地點處在極冠冰區(qū)與土壤相接的地帶。鳳凰號火星著陸器是固定在一個地點進(jìn)行考察的探測器，它并不進(jìn)行四處漫游活動。

鳳凰號火星著陸器有兩項科研目標(biāo)，其一是研究火星上水的變化歷史，這也是火星上氣候變化的關(guān)鍵因素；其二是評估火星北極冠冰區(qū)與中低緯度土壤覆蓋區(qū)之間的結(jié)合地帶的微生物生存環(huán)境，以及這里從前的環(huán)境狀況。為此，鳳凰號火星著陸器配備了多個科學(xué)探測儀器，包括可以獲取地表及地下物質(zhì)的機(jī)械臂及其上的相機(jī)、表面立體相機(jī)、氣體分析器、兩個其他用途的分析探測器和氣象觀測臺，等等。

鳳凰號火星著陸器預(yù)期的探測期限是90個火星日（比92個地球日略長），到2008年8月，它基本上完成了預(yù)定的科學(xué)任務(wù)，隨后繼續(xù)進(jìn)行了一些探測工作，2008年11月10日，天文學(xué)家宣布鳳凰號火星著陸器探測工作結(jié)束。經(jīng)過5個多月的科學(xué)考察，鳳凰號火星著陸器獲得了多項新的發(fā)現(xiàn)。首先，在被稱為“Green Valley（N68.35，E233）”的著陸地附近相機(jī)所能觀測的區(qū)域內(nèi)，地面上巖石體的體積都很小，地面本身非常平坦且呈現(xiàn)為直徑2～3米的多邊形圖案，多邊形之間被0.2～0.5米深的溝槽分割，地面之下幾英尺的深度有冰，這里沒有其他探測器著陸地所呈現(xiàn)的波紋型地形和小土丘；其次，在天氣方面，鳳凰號觀測到從高空卷云飄落下來的雪花，分析表明雪花是水冰晶構(gòu)成的，并不是二氧化碳構(gòu)成的干冰雪花，這里的風(fēng)速為11～58千米/小時，最高氣溫-19.6℃，最低氣溫-97.7℃。此外，天文學(xué)家根據(jù)探測器傳回地球的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確證了鳳凰號登陸地區(qū)存在水冰，而且天文學(xué)家認(rèn)為，不久之前，這里的氣候應(yīng)該更加溫暖和潮濕；天文學(xué)家進(jìn)行化學(xué)分析的結(jié)果表明，這里的土壤物質(zhì)中含有氯化物、碳酸氫鹽、鎂、鈉、鉀、鈣、硫酸鹽和高氯酸鹽等物質(zhì)，地表物質(zhì)的PH酸堿度為7.7±0.5。

為載人火星探測鋪路的“好奇號”火星漫游車

經(jīng)過四十多年的火星探測實踐，人類探測火星的技術(shù)不斷提高。探測方式由飛掠探測發(fā)展到環(huán)繞探測，再發(fā)展到登陸探測，探測方式逐漸進(jìn)展；探測器裝備的儀器也越來越多、越來越高級；探測任務(wù)越來越全面，從簡單的地表地形照相到地質(zhì)化學(xué)測驗，從尋找水到火星大氣探測，從火星磁場到火星氣候變化。21世紀(jì)開始后的第二個十年，科學(xué)家們已經(jīng)著手為未來的人類登陸火星做準(zhǔn)備，美國國家航空航天局的火星科學(xué)實驗室（Mars Science Laboratory ，MSL）即“好奇號（Curiosity）”火星漫游車就是具有這種用途的一個火星探測器。通過研究著陸地區(qū)的水作用、氣候狀況和地質(zhì)情況，該探測器用來確定火星的可居住性，為此，它將開展一系列有關(guān)生物、地質(zhì)、地質(zhì)化學(xué)、行星過程和表面輻射狀況等多項科學(xué)實驗。

2013年5月19日，“好奇號”火星漫游車在火星表面挖出一個圓洞，“好奇號”火星漫游車通過它所攜帶的儀器檢測所挖出的灰色渣土的化學(xué)成分。Credit：NASA/JPLCaltech/MSSS

2012年10月31日，火星科學(xué)實驗室——“好奇號”火星漫游車位于蓋爾撞擊坑（Gale Crater）。Credit: NASA/JPLCaltech/Malin Space Science Systems

火星科學(xué)實驗室即“好奇號”火星漫游車于2011年11月26日發(fā)射，2012年8月6日在火星上的蓋爾環(huán)形山（Gale Crater）地區(qū)登陸?！昂闷嫣枴被鹦锹诬嚨念A(yù)期探測壽命為一個火星年即668個火星日（折合687天），實際上，它目前仍在正常工作，到2016年6月1日，它已工作了1358個火星日（1395天）?！昂闷嫣枴被鹦锹诬嚁y帶了多個高級科學(xué)儀器，包括多個相機(jī)、遙感儀器、環(huán)境監(jiān)測儀器、阿爾法粒子X射線譜儀、樣品分析儀器和輻射測量儀器，等等。

經(jīng)過長期不凡的科學(xué)探測，“好奇號”火星漫游車帶來了不同尋常的成果，使人們對火星有了嶄新的認(rèn)識。例如，在被稱為“Yellowknife bay（黃刀海灣）”的地方，通過鉆孔泥石，發(fā)現(xiàn)其中含有硫、氮、氧、磷和碳元素，由于這些元素是組成生命的基本元素，因此，科學(xué)家認(rèn)為火星的化學(xué)條件對生命現(xiàn)象非常有利。另外，它在火星巖石中發(fā)現(xiàn)了有機(jī)碳；在火星大氣中發(fā)現(xiàn)了甲烷和甲烷活動；它還發(fā)現(xiàn)火星表面的輻射會嚴(yán)重危害人類健康，以及從前火星具有更厚的大氣和更多水，等等。我們期待“好奇號”火星漫游車今后給人類帶來更多的驚奇。

火星大氣和揮發(fā)物演化探測器

火星大氣和揮發(fā)物演化探測器（Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN Mission，MAVEN）是美國國家航空航天局的一個火星探測項目，它專門用于探測火星大氣和水等揮發(fā)物的變化歷史。它在圍繞火星運轉(zhuǎn)的軌道上進(jìn)行探測，它的軌道距離火星表面最近150千米，最遠(yuǎn)6200千米。該探測器于2013年11月18日發(fā)射，2014年9月22日進(jìn)入圍繞火星運轉(zhuǎn)的探測軌道。

長期以來，在火星表面發(fā)現(xiàn)有河床樣子的地況，也發(fā)現(xiàn)了只有水的存在才可生成的礦物質(zhì)，因此，天文學(xué)家推測，從前的火星上一定有大量流動的水，也應(yīng)該有保持火星溫暖的濃厚大氣。那么，是什么原因使得火星變?yōu)槿缃窀稍锘氖徢掖髿庀”〉臉幼恿四?？MAVEN就是肩負(fù)著這樣探測使命的一個探測器。為了實現(xiàn)探測目標(biāo)，MAVEN攜帶了多個探測儀器，例如，太陽風(fēng)電子分析儀、太陽風(fēng)離子分析儀、太陽高能粒子記錄儀、磁強(qiáng)計、紫外成像光譜儀、中性氣體同位素和離子成分測量儀，等等。

經(jīng)過大約一年的探測，MAVEN獲得了寶貴的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家據(jù)此得出結(jié)論，在太陽風(fēng)暴爆發(fā)期間，火星大氣分子被吹向行星際空間，造成嚴(yán)重的氣體分子丟失。如今，MAVEN仍然圍繞火星運轉(zhuǎn)。

火星大氣和揮發(fā)物演化探測器（Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN Mission，MAVEN），美術(shù)概念圖，Credit：NASA

印度的第一個火星探測器

2013年11月5日，印度成功發(fā)射了“火星軌道探測器”（Mars Orbiter Mission，MOM），它在印度語中被稱為“曼加里安”（Mangalyaan），是火星飛船的意思。2014年9月24日，它進(jìn)入繞火星運轉(zhuǎn)的軌道，其預(yù)期的壽命為6～10個月。該項目的主要目標(biāo)首先是展示印度的火箭發(fā)射系統(tǒng)、宇宙飛船的制造與運行能力；其次，它還探測火星的表面特征，研究火星的形態(tài)和礦物特性，探索火星大氣的性質(zhì)。2014年9月28日，該探測器發(fā)布了它的首張火星全球圖片。印度的“火星軌道探測器”現(xiàn)在已超出了它的預(yù)期壽命，仍在進(jìn)行科學(xué)探測。

2013年11月5日，印度發(fā)射的“火星軌道探測器”（Mars Orbiter Mission，MOM），美術(shù)概念圖，Credit：Nesnad

“火星生命探測計劃（ExoMars2016）”的“微量氣體軌道器（Trace Gas Orbiter，TGO）”和“斯基阿帕雷利”登陸演示器，美術(shù)概念圖，Copyright: ESA/ATG medialab

正在赴火星途中的微量氣體軌道器

“微量氣體軌道器（Trace Gas Orbiter，TGO）”的全稱為“火星生命微量氣體軌道器（ExoMars Trace Gas Orbiter）”，它是由歐洲空間局與俄羅斯聯(lián)邦空間局合作的火星探測項目。它是歐洲空間局主導(dǎo)的“火星生命探測計劃（Exobiology on Mars，ExoMars）”的第一個步驟，根據(jù)該火星探測計劃，預(yù)計2020年將發(fā)射一個火星漫游車。

“微量氣體軌道器”于2016年3月 14日成功發(fā)射，此次發(fā)射包括微量氣體軌道器本身和一個被稱為“斯基阿帕雷利”的登陸演示器，后者為未來的火星登陸器提供技術(shù)準(zhǔn)備。“微量氣體軌道器”的任務(wù)包括兩個方面：其一，在圍繞火星的軌道上探測火星大氣中甲烷和其他微量氣體的特性，作為分析火星上生命活動和地質(zhì)活動的根據(jù)；其二，它還作為未來火星表面漫游車與地球通訊的中轉(zhuǎn)站。

目前，微量氣體軌道器正在飛往火星的途中，預(yù)計2016年10月到達(dá)火星，2017年晚些時候開始探測工作。2016年6月13日，當(dāng)它距火星的直線距離為4100萬千米時，安裝在TGO上的相機(jī)（Color and Stereo Surface Imaging System，CaSSIS）拍攝了火星的第一張照片，并將其傳回了地球，當(dāng)然這只是探測器到達(dá)火星之前的準(zhǔn)備活動。

那些失敗的火星探測項目

如今，人類空間探測的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，發(fā)射到火星的空間探測器已經(jīng)為數(shù)不少，美國、俄羅斯、歐洲空間局和印度在火星探測方面處于領(lǐng)先地位，這些空間探測極大地促進(jìn)了人類對火星的認(rèn)識。然而，在輝煌的成績后面，人類探測火星的歷程中也有不少的失敗，可以說，它們是火星探測道路上不可缺少的環(huán)節(jié)。特別是，從1960年開始1969年，蘇聯(lián)陸續(xù)發(fā)射了4個Korabl系列探測器、3個Mars系列探測器和一個Zond-2探測器，這些火星探測器都以失敗告終。1964年，美國的Mariner3探測器也以失利告終，但是同年隨后發(fā)射的Mariner4就取得了成功。20世紀(jì)70～80年代，由于技術(shù)方面的原因，美國和蘇聯(lián)分別有1次和6次發(fā)射失敗。20世紀(jì)的最后十年，日本加入到火星空間探測的行列中，不幸的是，1998年它的首個火星探測器Nozomi也沒有成功，同一時期美國和俄羅斯則分別遭受4次和1次失利。進(jìn)入21世紀(jì)，中國也成了一個空間探測強(qiáng)國，加入到火星空間探測的隊伍中，然而，2011年與俄羅斯合作的Phobos-Grunt/Yinghuo-1火星探測器以失利告終。

規(guī)劃中的火星探測項目

如今，隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，火星探測的隊伍還在不斷壯大，許多國家紛紛制定未來的火星探測規(guī)劃，火星探測呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的局面。美國國家航空航天局計劃將于2018年5月發(fā)射名稱為“InSight（Interior Explorationusing Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport ）”的火星登陸探測器，用來研究包括火星在內(nèi)的類地行星的形成和演化，按規(guī)劃它將于2018年11月到達(dá)火星表面。美國國家航空航天局還規(guī)劃2020年發(fā)射火星著陸探測項目，主要目的是探測火星生命并為未來人類登陸火星做準(zhǔn)備。歐洲空間局主導(dǎo)的火星生命探測計劃的第二步是發(fā)射一個火星登陸探測器，目前該計劃發(fā)射的時間由原來的2018年推遲到2020年。印度也正在計劃發(fā)展被稱為“曼加里安-2”（Mangalyaan-2）的火星探測項目，它包括著陸器和漫游車，預(yù)計2018年～2020年發(fā)射。西亞的石油大國沙特阿拉伯也雄心勃勃準(zhǔn)備研制自己的火星探測器。2016年初，我國再次宣布新的火星探測項目，預(yù)計2020年左右發(fā)射一顆新的環(huán)繞火星的探測衛(wèi)星。

（責(zé)任編輯 張長喜）

美國將于2018年5月發(fā)射的“InSight”火星登陸探測器，美術(shù)概念圖，Credit：NASA/JPL-Caltech