奔火：三國探測器同臺競技

編譯 蔡立英

2020年7月，備受矚目的火星探測迎來發(fā)射“窗口期”，中國、美國和阿聯(lián)酋這三個國家的火星探測器“同臺競技”，奔向以危險著稱的目的地——火星。

2020年7月有三次火箭發(fā)射，目的地均是火星。美國、中國和阿拉伯聯(lián)合酋長國（阿聯(lián)酋）這三個國家紛紛派遣“使節(jié)”前往紅色星球，希望開啟火星探測的新篇章。

每個探測任務本身就是開拓者。美國派出其第五臺火星漫游車，這是美國宇航局（NASA）有史以來最強大的火星漫游車，希望能找到火星上過去生命的跡象，并采集有朝一日能返回地球的首批巖石樣本。中國的目標是基于月球探測的成功經(jīng)驗，通過首次發(fā)射火星探測器，一次性完成“繞”“落”“巡”三大任務。阿聯(lián)酋發(fā)射了一個火星軌道器——這是阿拉伯國家的第一個星際探測器，來測試其年輕但雄心勃勃的航天機構的實力。

所有這些探測任務是否會成功，還遠未可知，因為火星以“失敗航天器的墓地”而著稱。但是，如果這些任務成功了，將徹底改寫人類對火星的科學理解。中美兩國的火星漫游車將前往火星此前從未被探索過的區(qū)域，而阿聯(lián)酋的軌道器將跟蹤研究火星大氣的變化。

毅力號火星漫游車的腹部裝有一架太陽能直升機

盡管新型冠狀病毒大流行打亂了其他許多探測計劃，其中就包括原定2020年發(fā)射的歐洲與俄羅斯合作的火星探測任務因故不得不推遲2年，但中、美、阿聯(lián)酋三國火星探測任務背后的研發(fā)團隊仍能千方百計克服疫情影響，保持了他們的項目進度。當這三個探測器升空時，它們?yōu)榈厍蛉颂峁┮粋€仰望星空并超脫于地球上的問題的機會——無論這個機會多么短暫。

NASA的目標是火星巖石采樣返回

NASA希望其火星探測器——名為“毅力”號的三米長六輪火星漫游車，將是一個更宏大的火星探測旅程的開始。如果一切都按計劃進行，那么毅力號將采集并儲存火星巖石樣本，以待將來的探測器有朝一日將樣本帶回地球，可能要等到2031年，這將是有史以來首次從火星返回的樣本。

這意味著毅力號打的是一個天價豪賭。NASA此前的4臺火星漫游車——1997年的“旅居者”號、2004年的“勇氣”號和“機遇”號，以及2012年的“好奇”號都與探索有關，任務操控者可能會花些時間驅動這些火星漫游車，使它們悄悄接近感興趣的巖石，或者使它們穿越廣闊的平原。而毅力號到達火星后的任務很明確，主要就是識別和收集代表火星地質歷史的各種巖石，預計將在一個火星年（將近兩個地球年）內(nèi)完成這項任務。毅力號所采集的任何樣品都將有助于塑造未來幾十年的火星科學進程。

最重要的是，毅力號為科學家提供了了解這顆紅色星球上是否曾存在生命的最佳機會。如果它收集到了合適的巖石，那么地球上實驗室中的科學家也許可以從返回的樣本中提煉出火星生命的特征。

華盛頓州塞奎姆美國西北太平洋國家實驗室（PNNL）的天體生物學家雪莉?卡迪（Sherry Cady）指出：“毅力號首次為我們提供了在一個全新層次上探究火星上是否存在生命這樣一個基本問題的機會。”

毅力號將通過一系列科學儀器對火星表面和大氣進行采樣和探測。這是一臺很眼熟的火星漫游車——基本上是過去八年來一直在探測蓋爾隕石坑的好奇號火星漫游車的復制品。NASA的目標是通過使用相同的設計來節(jié)省成本，并稍作調整，例如增加一個樣本存儲系統(tǒng)，對車輪進行升級。盡管NASA的目的是削減成本，但由于某些儀器研制困難，探測器的總體造價已升至27億美元，超出預算近3.6億美元。

毅力號攜帶了高級版的某些好奇號傳感器，包括一個用激光爆破巖石以識別其原子和分子構成的化學分析儀，以及一個可以放大感興趣區(qū)域以產(chǎn)生立體聲和3D圖片的高分辨攝像系統(tǒng)。毅力號還有一項獨門秘技可以炫耀，那就是將進行一項實驗，試圖從火星富含二氧化碳的大氣中產(chǎn)生氧氣，以此來測試為未來踏足火星的人類探索者提供氧氣支持的方式。毅力號裝載有X射線和紫外光譜儀，可用于詳細的礦物學分析。更新奇的是，還有能收聽火星聲音的麥克風，以及一架安裝在火星車腹部的太陽能直升機。

而毅力號的采樣系統(tǒng)，則是工程師從頭開始全新設計的。毅力號的腹部裝有43根樣品管。當它遇到科學家要采樣的巖石任務時，火星車將伸出其2.1米長的機械臂，鉆出一個大約筆形電筒大小的樣本：長60毫米，直徑13毫米，然后裝入樣品管并密封。最終，一旦毅力號采集了20個樣品管的樣本，將存放在火星表面的“緩存站點”，直到將來某個新的探測器到達火星取回樣本。NASA目前計劃與歐空局（ESA）合作，于2026年發(fā)射一個探測器，于2031年將火星巖石樣本返回地球。

毅力號將著陸在火星赤道以北的耶澤洛隕石坑，該隕石坑口徑45千米，過去曾是湖泊和河流三角洲的所在地。美國德克薩斯州休斯敦月球與行星研究所的行星科學家肯達?林奇（Kennda Lynch）指出，這個古老的三角洲提供了豐富多樣的地質景觀——毅力號可以收集許多可能包含過去生命跡象的樣本。負責建造毅力號的噴氣推進實驗室（JPL，位于加利福尼亞州帕薩迪納）的工程師已經(jīng)繪制出了火星車在三角洲周圍探測的多條路線，覆蓋了方圓15千米的范圍。卡迪認為，如果毅力號首先在該區(qū)域巡視，勘察地形，然后再返回來采集樣本，將是最佳做法。

毅力號將探測一個古老的三角洲，那里曾經(jīng)有水流過火星表面

毅力號于7月30日從佛羅里達州的卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射，并將于2021年2月18日登陸火星。

中國首個火星探測計劃

中國制定了雄心勃勃的首次火星探測計劃。搭載了13種科學載荷的軌道器、著陸器和巡視器于7月23日從中國海南島發(fā)射升空。這項火星探測任務名為天問一號，意味著“求索宇宙的真理”，將是中國對太空的最深入探索。到2021年2月，該探測器將抵達火星，目標是對火星的大氣、內(nèi)部結構和地表環(huán)境進行全面勘察，包括尋找水的存在和生命跡象。

中國此前的嘗試是在2011年搭乘俄羅斯火星探測器，向火星發(fā)射一枚軌道器“螢火一號”，但因俄羅斯火星探測器未能按計劃變軌，以探測器的失蹤而告終。但是在這次失敗之后，中國在太空領域取得了一系列勝利。2013年，中國成為第三個在月球上著陸航天器的國家。2019年，中國的嫦娥四號探測器成功著陸月球背面，成為世界上第一個實現(xiàn)此壯舉的國家。2020年5月，中國新一代載人飛船試驗船由長征五號B運載火箭發(fā)射升空并成功返回，新一代載人飛船將把宇航員送往預計于2022年建成的中國空間站。

但是，中國空間技術研究院的研究人員在2017年的一篇論文中表示，火星探測項目與中國此前的太空探測任務屬于不同類型。前往火星的路程比前往月球的路程長1 000倍，火星表面引力是月球的2倍，火星有大氣層，火星表面散布著密集的巖石，使得火星探測任務風險更大。

此前，中國政府并沒有過多透露這項任務的內(nèi)容，大部分公開信息來自發(fā)表的文章和官方媒體報道，省略了項目預算、確切發(fā)射日期以及探測器在火星上的著陸點等關鍵細節(jié)。但是，空間物理學家、中國科學院國家空間科學中心（NSSC）主任王赤在一封電子郵件中表示，該任務正按計劃推進。他表示：“我們的團隊目前正在海南文昌發(fā)射中心工作，一切進展順利。”在中國國家航天局（CNSA）的領導下，王赤負責此次任務的科學有效載荷。

如果一切都按計劃進行，天問一號將是第一個成功地綜合使用軌道器、著陸器和巡視器研究火星的探測器。一旦這個組合探測器飛抵火星，六角形的軌道器將把著陸器和受球形錐殼保護的巡視器釋放到火星大氣中。2019年9月，在瑞士日內(nèi)瓦舉行的歐洲行星科學大會上，中國科學院國家天文臺一位科學家在報告中透露，中國研發(fā)團隊在火星赤道以北的烏托邦平原上發(fā)現(xiàn)了兩個候選的著陸區(qū)。

探測器將打開降落傘，然后懸停在空中，最后依靠圓形著陸器的四條著陸腿平穩(wěn)著陸。這臺重約200千克的火星車（即巡視器）將展開其太陽能電池板，沿著梯子駛下，然后在其大約90個火星日（一個火星日是24小時37分鐘）的壽命內(nèi)自主探索周圍環(huán)境。在火星車執(zhí)行巡視任務期間，軌道器將為火星車提供中繼通信鏈路，之后軌道器將進入距離火星更近的軌道，對火星開展為期一個火星年的環(huán)繞科學探測。

中國研發(fā)團隊分別為軌道器和巡視器配置了8臺和5臺科學載荷。軌道器上的地下雷達可以探測地下100米深，從而繪制地質結構圖并尋找水和冰。中分辨率相機和高分辨率相機將收集沙丘、冰川和火山等形貌特征圖像，提供地貌形成線索。軌道器和巡視器都將攜帶光譜儀，研究土壤和巖石的成分，尤其是尋找水改變地質特征的證據(jù)。中國研發(fā)團隊還計劃收集有關溫度、氣壓、風速和風向的大氣數(shù)據(jù)，并研究火星的磁場和重力場。

美國華盛頓大學圣路易斯分校（位于密蘇里州）的行星地質學家雷蒙德?阿維森（Raymond Arvidson）指出，以前的火星探測任務中也曾搭載過類似的儀器。但是火星很大，地質歷史也很復雜，因此，天問一號產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以使研究人員了解現(xiàn)有觀測儀器未覆蓋到的地方?！叭绻袊膬x器能夠正常工作，產(chǎn)生數(shù)據(jù)并以類似于我們的方式共享，那么付出的一切努力都是值得的?！卑⒕S森表示，他所說的數(shù)據(jù)共享方式是指由他所在的大學和NASA管理的一個免費的公共檔案庫，收集了以前的很多行星探測任務的地質科學數(shù)據(jù)。

2003年發(fā)射的ESA“火星快車”軌道器項目科學家德米特里?蒂托夫（Dmitrij Titov）表示，中國天問一號軌道器的壽命可能比一些服役期將滿的“老兵”更長，包括ESA的火星快車，NASA的火星偵察軌道器和MAVEN大氣專家軌道器。蒂托夫認為，有朝一日當許多其他航天機構都忙于實施樣品返回任務的時候，對火星的持續(xù)監(jiān)測將使整個科學共同體受益。實際上，中國自有安排，計劃在2030年從火星收集并返回樣品。

阿聯(lián)酋的星際探測希望

阿聯(lián)酋夢想遠大，決定發(fā)射其首顆飛出地球軌道、奔向火星的探測器，因此，將這顆火星軌道器命名為“希望”號。該軌道器于7月20日在日本鹿兒島縣種子島太空中心發(fā)射升空。

如果成功，阿聯(lián)酋火星任務（EMM）不僅標志著阿拉伯國家第一個行星際冒險的成功，而且還將制作出火星的第一張全球氣象圖。盡管以前的探測器建立了從軌道上觀測火星大氣的圖像，能夠在一天的有限時間段內(nèi)監(jiān)測火星的一小部分區(qū)域，而希望號環(huán)繞火星巨大的橢圓形軌道探測，將能夠在白天和夜晚對火星的大片區(qū)域進行觀測。希望號每環(huán)繞火星一圈用時55小時，觀測范圍幾乎能覆蓋火星全球。希望號科學負責人、阿聯(lián)酋高級科學國務部長莎拉?阿米里（Sarah Al Amiri）表示：“我們的希望號對火星的觀測將能夠覆蓋火星全球，做到全天候，時間跨度達到整個火星年?！痹撎綔y器的可見光相機和紅外光譜儀將研究低層大氣中的火星云和沙塵暴，紫外光譜儀將監(jiān)測高層大氣中的氣體。EMM科學團隊成員侯賽?馬特魯什（Hessa Al Matroushi）指出：“這將是第一個制作出火星全球動態(tài)氣象圖的火星探測器?！?/p>

在執(zhí)行為期兩年的任務期間，希望號將跟蹤天氣的日變化和季節(jié)變化。它不僅有助于為未來的人類飛行任務做準備，還將揭示大氣條件如何導致氫和氧逃逸到太空中。這可以幫助科學家了解火星的氣候以及它如何失去曾經(jīng)厚厚的大氣層。阿米里表示，希望號科學團隊與國際合作者共同提出了其科學目標，而且數(shù)據(jù)將不設禁期地提供給國際社會。NASA噴氣推進實驗室火星項目辦公室首席科學家理查德?祖雷克（Richard Zurek）認為：“阿聯(lián)酋人不僅非常熱切地希望通過此次火星探測任務展示其國家的技術實力，而且還希望在人類對火星的科學理解上做出自己的貢獻。”

發(fā)射一顆行星際探測器對阿聯(lián)酋而言是一個重大的飛躍，為此，阿聯(lián)酋聘請了曾參與NASA以往任務的經(jīng)驗豐富的工程師，主要來自美國科羅拉多大學博爾德分校。這種合作的目標很明確，就是將NASA的相關技術傳授給穆罕默德?拉希德航天中心的團隊，NASA的工程師與阿聯(lián)酋的團隊一起完成希望號任務的每個環(huán)節(jié)。阿聯(lián)酋高等教育國務部長、阿聯(lián)酋航天局主席艾哈邁德?貝盧爾（Ahmad Belhoul）坦言：“現(xiàn)實是，我們阿聯(lián)酋是一個年輕的國家，如果沒有合作伙伴和國際合作，我們做不成任何事情。”

通常，對于一個行星際探測項目，任務的想法不是來自科學家，而是來自政府本身——而且希望號任務的完成時限2021年12月2日是不可協(xié)商的，因為這是阿聯(lián)酋建國50周年紀念日。EMM的項目主管伊姆蘭?沙拉夫（Omran Sharaf）指出，選擇這樣一項大膽的任務不僅是為了激勵阿聯(lián)酋的年輕人，更是為了促使阿聯(lián)酋向知識經(jīng)濟邁進。

希望號任務已經(jīng)產(chǎn)生了影響，阿聯(lián)酋各大學開設了5門新的本科生科學課程，阿聯(lián)酋兒童對太空的熱情也不斷高漲。

阿米里認為，從很多方面來說，即使希望號在發(fā)射臺上爆炸，這次任務也將是成功的。不過，她很快就重新考慮了剛才的這個假設：“只要想到任務失敗的可能性，我的心臟就漏跳了一拍?！?/p>

資料來源 Nature