2020密集的火星探測(cè)計(jì)劃

□遲惑

2020密集的火星探測(cè)計(jì)劃

□遲惑

2020年前后，是全球火星探測(cè)任務(wù)相對(duì)密集的一個(gè)時(shí)期。美國(guó)、歐洲、俄羅斯、中國(guó)都將獨(dú)自或聯(lián)合發(fā)射火星探測(cè)器?？紤]到平均每?jī)赡瓴庞幸淮螐牡厍虮枷蚧鹦堑臅r(shí)間窗口，2020年前只有2018 年5月適合發(fā)射火星探測(cè)器，之后便是2020 年7月。因此，在這兩個(gè)窗口內(nèi)集中了6次發(fā)射、10個(gè)探測(cè)器，堪稱人類有史以來探索火星最為密集的時(shí)期。

“洞察”

“洞察”是一臺(tái)火星著陸探測(cè)器，它原本打算在2016年發(fā)射，但是由于法國(guó)宇航局負(fù)責(zé)研制的主要載荷——地震分析儀在2015年總裝時(shí)發(fā)生了漏氣事故，只能推遲到下一個(gè)時(shí)間窗口，也就是2018年5月5日。“洞察”的基本構(gòu)型沿用自“鳳凰”火星探測(cè)器。它沒有漫游功能，只能固守一點(diǎn)探測(cè)周圍地區(qū)。

“洞察”曾經(jīng)被叫做GEMS，意思是地質(zhì)物理學(xué)監(jiān)視站，2012年改用現(xiàn)在的名字。這個(gè)型號(hào)是在2010年從28個(gè)備選項(xiàng)目里脫穎而出的，在2011年，“洞察”和另外兩個(gè)型號(hào)一起獲得了預(yù)先研究資金。到2012年8月，另外兩個(gè)項(xiàng)目被淘汰，“洞察”進(jìn)入了工程研制和發(fā)射準(zhǔn)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(gè)很精巧的機(jī)械臂

“洞察”項(xiàng)目由美國(guó)航宇局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)管理，不包括火箭發(fā)射服務(wù)的總預(yù)算不超過4.25億美元。

在火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震分析儀發(fā)生漏氣事故后，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室接管了研發(fā)工作，給它研制一個(gè)新的密封容器。法國(guó)宇航局依舊負(fù)責(zé)儀器總裝和測(cè)試。

2016年3月9日，NASA正式對(duì)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(guó)還是由美國(guó)來付這筆錢。

“洞察”的主要目標(biāo)，是研究火星的早期演化史?？茖W(xué)家們?nèi)缃裾J(rèn)為，太陽系內(nèi)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(huì)不斷吸收周邊的物質(zhì)，體積不斷增大，內(nèi)部溫度逐漸升高，逐步形成硬質(zhì)的行星。“洞察”的任務(wù)之一，就是對(duì)這個(gè)過程加以研究。研究火星地質(zhì)，對(duì)于研究地球自身的地質(zhì)歷史有重要意義。因?yàn)榈厍蚝突鹦堑某叽缦嗨?，而火星上一直沒有人類活動(dòng)，保持了深入、精準(zhǔn)的歷史記錄。

“紅龍”

“紅龍”是埃隆·馬斯克的下一個(gè)狂想，它沿用了太空探索技術(shù)公司現(xiàn)有的“龍”飛船構(gòu)型，是一種低成本火星著陸器。“紅龍”擬用重型獵鷹發(fā)射，不僅承擔(dān)探測(cè)任務(wù)，也是這家公司火星殖民地計(jì)劃的先導(dǎo)。按照馬斯克在2016年9月演講時(shí)發(fā)布的消息，打算用多個(gè)“紅龍”飛船結(jié)陣，成為最早的火星營(yíng)地，然后逐步擴(kuò)展。

太空探索技術(shù)公司和NASA埃姆斯中心在2011年聯(lián)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(wù)，把載荷送往火星并成為載人任務(wù)的先導(dǎo)。當(dāng)時(shí)定下的指標(biāo)是提供7立方米內(nèi)部空間，運(yùn)送最多1噸載荷前往火星。

“紅龍”的具體任務(wù)包括以下四項(xiàng)：搜尋生命證據(jù)，死的活的都要；評(píng)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(shù)據(jù)考察火星歷史氣候。

到2014年，NASA又對(duì)“紅龍”方案提出了更高要求，希望它能實(shí)現(xiàn)某些采樣返回任務(wù)。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(shè)備，其中包括火星車。

對(duì)這兩個(gè)概念，NASA都不打算出一個(gè)子兒。

到2016年4月27日，太空探索技術(shù)公司宣布，打算在2018年發(fā)射一艘私人投資的“龍”飛船前往火星。NASA打算提供一些技術(shù)，用來交換飛船在進(jìn)入火星大氣、下降和著陸時(shí)獲得的數(shù)據(jù)，還打算投入價(jià)值3000萬美元的人力和設(shè)備來監(jiān)控“紅龍”任務(wù)。

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(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)再入段的減速，而不是傳統(tǒng)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(jìn)劑。如果用于火星，這種方式可以選擇一個(gè)高海拔的著陸點(diǎn)。太空探索技術(shù)公司的團(tuán)隊(duì)目前正在考慮火星極區(qū)或者某個(gè)中緯度地點(diǎn)。這里更容易找到淺地表埋藏的水冰。

火星地外生命探測(cè)器

這是2020年前后規(guī)模最大的一個(gè)火星探測(cè)任務(wù)，也是最為曲折的一個(gè)。

火星地外生命探測(cè)器（以下簡(jiǎn)稱“火星生命”）的計(jì)劃經(jīng)歷了幾個(gè)不同的階段。這個(gè)項(xiàng)目最初在2005年由歐空局提出，當(dāng)時(shí)考慮歐洲和美國(guó)合作研究，是歐空局奧羅拉空間探索計(jì)劃的首要任務(wù)。2007年，歐洲EADS公司和加拿大MDA公司聯(lián)合中標(biāo)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和樣機(jī)研制，打算在2011年用俄羅斯聯(lián)盟火箭發(fā)射。2009年，NASA正式宣布加入“火星生命”計(jì)劃，并搭載發(fā)射美國(guó)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(fā)射，因此從“聯(lián)盟”換成了美國(guó)“宇宙神”5火箭。

2009年8月，俄羅斯聯(lián)邦航天局宣布加入“火星生命”計(jì)劃，用福布斯-土壤計(jì)劃獲取的數(shù)據(jù)與“火星生命”合作，以俄羅斯“質(zhì)子”火箭作為備份發(fā)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(dá)成正式協(xié)議，“火星生命”探測(cè)計(jì)劃分兩個(gè)步驟實(shí)施，在2016年和2018年分別發(fā)射一次，總費(fèi)用12.3億美元。第一次發(fā)射NASA研制的MAX-C漫游車，第二次發(fā)射“火星生命”漫游車。

然而到了2011年8月，NASA因?yàn)榻?jīng)費(fèi)困難，只能取消了MAX-C。這讓整個(gè)“火星生命”計(jì)劃的進(jìn)度遭到重大打擊。歐空局只能把計(jì)劃縮小，只發(fā)射一部火星車，也就是“火星生命”。為了部分彌補(bǔ)MAX-C被取消造成的能力缺失，“火星生命”的尺寸擴(kuò)大了一些。所使用的火箭依然由NASA提供，同時(shí)還提供用于著陸的飛行天車系統(tǒng)。

到了2013年，NASA再次跳票。因?yàn)閵W巴馬政府的預(yù)算困難和“詹姆斯·韋伯”空間望遠(yuǎn)鏡的超支，NASA完全放棄了對(duì)“火星生命”計(jì)劃的參與，火箭和著陸車都不再提供。

①“洞察”探測(cè)器正在安裝熱護(hù)罩

②“洞察”的降落傘正在實(shí)施風(fēng)洞測(cè)試

③火星希望探測(cè)器的想象圖

2013年3月歐空局和俄羅斯航天局正式簽署協(xié)議，由俄羅斯完全取代美國(guó)此前的角色。俄羅斯提供兩枚“質(zhì)子”火箭和微風(fēng)-M上面級(jí)，成為“火星生命”計(jì)劃的發(fā)射服務(wù)提供者。同時(shí)，俄羅斯要設(shè)計(jì)新的火星再入、下降和著陸系統(tǒng)。作為回報(bào)，2016年發(fā)射的火星氣體跟蹤軌道器上要搭載兩部俄羅斯研制的設(shè)備，它們最初是為福布斯-土壤研制的。所有科學(xué)成果的知識(shí)產(chǎn)權(quán)由歐洲和俄羅斯共同擁有。

歐空局最初為“火星生命”計(jì)劃準(zhǔn)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(jì)劃提供價(jià)值12盧布（4070萬美元）的資金。

2014年，歐洲空客航天防務(wù)集團(tuán)的英國(guó)分公司開始建造“火星生命”漫游車。估計(jì)到2018年前，整個(gè)計(jì)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(fā)射計(jì)劃未必能實(shí)現(xiàn)。其中最大的麻煩是意大利，其次是英國(guó)，兩國(guó)都沒能提供足夠資金支持。錯(cuò)過2018年發(fā)射窗口后，就只能推遲到2020年7月發(fā)射了。

“質(zhì)子”火箭的可靠性也是很大的問題。到2015年5月，“質(zhì)子”共發(fā)射100次，但其中10次失敗。這對(duì)于沒有備份的科學(xué)任務(wù)來說，有點(diǎn)不能讓人放心。2016年火星微量氣體觀測(cè)軌道器（TGO）發(fā)射期間，“質(zhì)子”火箭也發(fā)生了驚險(xiǎn)事件。TGO和微風(fēng)上面級(jí)分離后，后者忽然發(fā)生爆炸，不過TGO毫發(fā)無傷，目前正在飛往火星途中。

“火星生命”計(jì)劃的目標(biāo)有5項(xiàng)，首先是搜尋火星上的生命痕跡，同樣是死的活的都要；測(cè)繪火星淺地表下的水和其他化學(xué)物質(zhì)分布；研究火星表面環(huán)境、確認(rèn)未來載人任務(wù)可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)；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(zhǔn)備。

④馬斯克打算用這個(gè)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(jī)

⑥阿聯(lián)酋航天局宣布出資研制“火星希望”探測(cè)器

“火星希望”

“火星希望”是2020年時(shí)段各火星探測(cè)器中最簡(jiǎn)單的一個(gè)，它的發(fā)起者也是迄今為止最令人意外的一家：阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)。

“火星希望”的任務(wù)規(guī)劃相對(duì)簡(jiǎn)單，只是純粹的繞飛器。它的背后依然是美國(guó)科研單位，其中包括科羅拉多大學(xué)、加利福尼亞州立大學(xué)伯克利分校、亞利桑那州立大學(xué)。阿聯(lián)酋宇航局擔(dān)任名義上的項(xiàng)目管理方?！盎鹦窍Ｍ贝蛩阌萌毡綡-2A火箭發(fā)射。

“火星希望”所攜帶的儀器比較簡(jiǎn)單，只有一臺(tái)可見光成像儀、一臺(tái)紅外頻譜儀和一臺(tái)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(cè)臭氧的功能。紫外線成像儀用于探測(cè)熱層及氫、氧成分。

“火星2020”

接下來就要說到美國(guó)的“火星2020”計(jì)劃了。這個(gè)計(jì)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(dāng)年加入“火星生命”計(jì)劃是為了攪局。

“火星2020”的核心是一部火星漫游車，主要任務(wù)是研究與生命相關(guān)的火星古代環(huán)境，研究火星地表的地質(zhì)學(xué)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(guó)地理聯(lián)合會(huì)大會(huì)上宣布了“火星2020”計(jì)劃，但當(dāng)時(shí)還沒有命名。NASA當(dāng)時(shí)展示了一部從“好奇”號(hào)發(fā)展而來的火星車，但所攜帶的科學(xué)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(tái)火星車的重要功能之一，是幫助設(shè)計(jì)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(wù)。同時(shí)，為更加精確的著陸技術(shù)做演示驗(yàn)證。如果有關(guān)技術(shù)取得成功，不但能發(fā)射更大、更復(fù)雜的探測(cè)器到火星，也將有利于載人飛船降落技術(shù)的開發(fā)和成熟。

這項(xiàng)任務(wù)的總費(fèi)用大約是21億美元，比“火星生命”貴得多。法國(guó)、丹麥等國(guó)也在“火星2020”上搭載了儀器。主要儀器是X射線熒光分光計(jì)、探地雷達(dá)、環(huán)境動(dòng)態(tài)分析儀等。

中國(guó)做什么？

在2017年的“兩會(huì)”上，全國(guó)政協(xié)委員、中國(guó)科學(xué)院院士葉培健又一次就中國(guó)火星探測(cè)發(fā)表了意見。他表示,國(guó)內(nèi)航空航天有關(guān)部門現(xiàn)正在探索火星探測(cè)器的研制工作,預(yù)計(jì)2020年將發(fā)射中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器，經(jīng)過7個(gè)月的飛行，于2021年飛抵火星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。他還說，在這次任務(wù)當(dāng)中，將完成對(duì)火星的全球觀測(cè),這在全世界是第一次。

為什么中國(guó)也這樣關(guān)心火星呢？葉培健說，在太陽系八大行星當(dāng)中，火星是最近似地球的一個(gè)行星，根據(jù)現(xiàn)在人們對(duì)火星的認(rèn)識(shí)，火星經(jīng)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(xiàn)在各國(guó)還沒有實(shí)際規(guī)劃載人探索火星任務(wù)，但相關(guān)前期準(zhǔn)備工作已經(jīng)緊鑼密鼓地展開?；鹦蔷嚯x地球遙遠(yuǎn)，因此必須考慮長(zhǎng)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(wù)于火星移民，也將成為人類真正邁向宇宙的關(guān)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。