探索火星的挑戰

舒嶸 | 中科院上海技術物理研究所

科學家眼中的火星

火星是太陽系八大行星中第四顆，是一顆類地行星。古時候，中國人一直稱火星為熒惑星，意味著瑩瑩火光，離離亂惑之意。在西方一直用古希臘神話傳說中英雄名字命名火星。真實的火星是什麼樣子的呢，在人造衛星上看，火星上面既有像沙漠、像流過河流的戈壁灘，也有山丘等地貌。火星上的河流是沒有液態水的，但是在火星南北極下面有大量冰川地下水。

火星的地質情況跟月球是非常接近的。火星的大小介於地球和月球之間，重量大約是地球的十分之一，體積相當於地球的六分之一。在火星上一年大約相當於地球上兩年。

在約45億年前，宇宙形成的初期，火星和地球是一樣的，它的表面也是有流水，到了30億年前左右，地球上出現了光合作用，產生了生命。火星到後面水消失了，變成了一個又冷又幹的星球。所以探索火星的氣候變化以及地質的演化，對於保護地球，拓展我們人類生存的疆域，有非常重要的意義。火星是我們整個深空探測領域，除月球以外的第二個重要研究的星球。

科學家想要看火星的什麼？要從三個方面看：生命、氣候、地質。

在火星上面是否有過生命的出現？有沒有生命的一些痕跡？因為火星上是有大氣的，了解火星氣候演變的過程以及歷史很有意義。另外是研究火星表面和地質演化的過程，可以更好地幫助理解地球的早期演化歷史和生命的起源。

火星探險

歐陽自遠院士說過一句話，如果科學家把探索的目標想清楚了，在技術的支撐下，才能實現這些科學的夢想。實際上國際上的科學界，對宇宙的探索也是走的這樣一條路。

火星探測風險是很大的。但實際上在2011年，我們跟隨俄羅斯的福布斯-土壤探測器已經搭載過一顆火星探測器，這顆火星探測器是由上海航天八院研製的，很不幸這個發射器升空以後，由於俄羅斯人過早的把計算機系統轉入自動的導航模式，結果由於裡面的軟體有點bug，導致探測器沒有脫離地球軌道，變成了地球上的一顆衛星，而且軌道不高，所以搶救了幾個月以後，這顆衛星最後墜入大氣層就毀掉了。從整個世界來說，火星探測的成功概率不到50%。

今年中國第一次用全新研製的長徵五號火箭，要一次實現繞、落、巡這三個目標，難度非常大。美國的海盜1號和海盜2號，在1976年第一次成功進入火星軌道，降落到火星上去。目前火星探測以美國為主，然後是歐盟ESA、日本，我們也期盼著，2020年以後中國的火星探測越來越多。

從上面的圖中可以看到，圍繞著水的尋找，人類從環繞器的三個探測器加上「機遇號」火星車，開展了很多研究工作。圍繞著可居住性發射了軌道探測器、微量氣體探測器以及「好奇號」火星車，進行了各種探測活動。最近一次人類成功在火星上降落的是「洞察號」火星著陸器，它是研究磁場和大氣是怎樣的情況、多久消失的，另外還要進行類地行星的研究。

○天問一號火星車

無論是NASA、ESA還是中國，著陸器或者火星車，其實都是要研究可居住性和生命的痕跡。目前已經做了尋找水的探險，水是肯定有的，但是水不在表面，在火星表面的下層，這點在目前科學研究成果中是百分之百確定的，因為在火星上既發現了水流的痕跡，還測到氫的元素。第二個是可居住性，火星上二氧化碳、水這兩個元素比月球環境要好很多。第三個方面，火星過去到底有沒有生命存在，這個研究做的比較少。

探索火星的挑戰

我們要去火星的探險和月球的探險有很大的區別。

第一個，火星距離很遠，最遠超過4億公裡，近的時候約是5500萬公裡，一般選擇在大約8000萬公裡的距離發射探測器。第二個是溫度，到了晚上會非常冷，達到零下143攝氏度，白天最熱的地方在赤道附近，也就是35攝氏度左右。另外大氣非常稀薄，而且還有沙塵暴。

圍繞這三個特點，工程師怎麼解決呢？

不是每時每刻飛去火星都是適合的，因為我們要找一個距離合適的時間，每隔26個月有一個火星發射窗口。我們國家本來在2018年準備發射一個火星探測器的，但是由於種種原因沒有搞成，後來就延遲到今年。飛到火星要花7個月的時間，從地球去月球只需要9天。在火星上要10多分鐘才能把一個信號傳輸回來，而且信號傳輸的速率是很低的，低傳輸效率限制了科學的探索。

落到火星上以後面臨三個挑戰。

第一是沙塵暴，沙塵暴來了以後，火星車必須要把自己保護好，否則整個儀器會被掩蓋掉。而且沙塵暴來了以後，太陽能帆板上面的沙塵會降低能源的轉化效率。第二是光照問題，因為火星離太陽很遠，在火星上接收到的太陽光能量只有月球表面的40%。我們國家的月球車是兩塊帆板，但是我們的火星車要由四塊帆板構成的，這樣才能能量保持大致相當。第三是火星上的重力，月球的重力只有地球的六分之一，但是火星重力沒有那麼小，在火星上面要跑同樣重量的火星車，需要的能量也比月球上要高。這三個問題給火星車的應用帶來了一些新的問題。

我們要去火星上的一個地方，首先要去選擇著陸點，這是非常重要的，先從工程上來說，既不能是孤島，又不能是陡坡，還不能是非常軟的地方，不能讓火星車下去就無出路、傾倒、或陷進去；另外，因為火星上有高山、峽谷，不能進去以後把太陽擋住了，沒有光照就沒有能源；而且還要考慮到通訊，從科學家的角度，非常希望去的位置有很好的科學研究價值。

下圖是美國NASA七次火星探測的著陸點，大家可以看到今年中國預定著陸區是在這兩個地方（紅色標記），為什麼要選兩個預定著陸區？因為火星上有不確定的大氣流和風暴，我們要根據實際情況來進行降落。左邊的降落區的好處是我們會跟美國NASA的著陸點比較接近，大家都會在一塊大的區域來共同對火星表面進行探索和研究，科學數據可以進行國際化的共享。

○ 中國2020年預定著陸區

著陸過程是最驚心動魄的。我們中國月球探測30分鐘叫「黑色30分鐘」，在火星上有「恐怖7分鐘」，目前在國際上有三種降落方式，一個叫氣囊式，「勇氣號」、「機遇號」都採取了這種方式——一個氣囊下來以後彈跳，最後用不倒翁的原理打開，保證火星車從裡面出來。第二種方式是支架式，相當於有四條腿，像一張桌子一個板凳一樣下去，當然先是降落傘，因為有大氣所以都要用降落傘，區別在於靠近火星表面的時候。第三種是起重機天抓式，由於火星表面的各種坑、石頭特別多，支架式落在石頭上會翻身，那車就要翻掉了，所以採取了一種像直升機一樣，可以把火星車放下來，上面的著陸器平移，來找一塊相對平坦的區域。

○ 氣囊式著陸

我們國家的方案是什麼？由於我們必須自力更生，所以我們也進行了創造。

我們把支架式和起重機天抓式相結合。我們的著陸器也是有四條腿，也有降落傘，但是我們四條腿的著陸器自身具有避障的模式，可以自主避障平移。這項技術是在探月工程裡面來做的，探月工程著陸器在100米懸停的時候，在50×50米的區域，可以在250毫秒內對月表區域進行三維拍照，然後找一個平坦的區域平移降落下去。嫦娥四號能夠成功的落在月球的背後，月球背後的情況我們事先並不知道，因為月球背後隕石撞擊坑非常多，由於有了這項技術，地形不管多麼複雜，都可以進行自主避障。2020年中國火星探測計劃，用了嫦娥奔月的技術，再加上載人航天返回大氣層的降落傘減速兩項技術的結合。

火星表面的元素探測

NASA「好奇號」上面搭載了α粒子X-射線光譜議，用雷射槍擊打物體的表面，做巖石礦物質成分的測量，主要來確定是否有水，是否有適合於生命存在的環境。中國的「玉兔一號」月球車跑了沒多少米，「玉兔二號」到目前就跑了100多米。在火星上跑的時間最長的火星車已經有六年了，就是NASA 「機遇號」火星車，它跑了45公裡，在遭遇一次巨大的沙塵暴以後，最後宣布它的任務終結。

○ NASA機遇號火星車

我們國家的著陸器上面搭載了很多設備，一共有30公斤的有效載荷。我們課題組研究的是物質成分探測儀，在上面佔了16公斤，個頭非常大。其他的還有導航相機，氣象站等一些測量設備。

○ 天問一號1:1著陸平臺（右）和火星車（左）

物質成分探測儀是用來做什麼的？它是用雷射聚焦石頭局部，氣化產生等離子體（等離子體是原子裡的外層原子擺脫原子核束縛成為自由電子，是一個電離的過程），等離子體在冷卻過程中會輻射出原子光譜，原子光譜代表這個元素的「指紋」。只要能測到等離子體冷卻過程中產生的光譜曲線的位置，就能知道它代表什么元素，信號的強度能夠反映元素的含量。這就是雷射誘導等離子體光譜技術。元素周期表裡面絕大部分元素都能測，一次激發就能同時探測多種元素。

除了用雷射激發物體元素以外，還有被動的短波紅外光譜測量。被動的短波紅外光譜測量通過光譜分析進行分子層面的測量，可以測化合物的成分。

這個儀器上面有一個二維指向鏡，可以搖頭擺尾到處看。我們的月球車上面的光譜儀裝在車上動不了，最後是車到哪裡只能看哪裡，玉兔一號的車輪子壞了停在那裡，最後只能永遠看一個地方。我們在火星車上面弄一個可以動的鏡子，這樣哪怕火星車不動了，還可以到處看。這個黑色的裡面是一個望遠鏡系統，裡面還有雷射器，最後有個定標板。跟美國相比我們少了一個拉曼測量的功能。

火星探測是由環繞器與火星車相結合，我們要進行星地的聯動探測。也就是說在環繞器上還要再裝一個光譜議，和火星車上的主被動結合，兩個進行比對測量。在環繞器上裝了一個火星礦物光譜分析儀，是一臺推帚式的分子光譜探測設備。這個光譜探測設備能夠提供多個波段的光譜信息，還有一個圖像信息。

光譜測量能發現什麼？我們以嫦娥四號為例說明。假如說月球是個白煮蛋的話，蛋白裡到底裝了什麼？實際上大型的固態天體都存在這樣的問題。科學家假設月幔和地幔是一樣的，那麼裡面應該有橄欖石存在。嫦娥四號的著陸點非常巧，首先我們選擇了一個艾特肯盆地，這是最古老的撞擊盆地之一，同時落的那個地方馮·卡門撞擊坑是個二次撞擊坑，所以它有機會通過隕石的撞擊，把月幔裡深層的物質拋射到月球的表面。也非常巧，玉兔二號正好降落到了這個區域，通過對兩個探測點土壤的光譜探測，獲得的數據顯示嫦娥四號著陸區的月壤物質中，橄欖石相對含量是最高的，低鈣輝石次之。我們在實際數據採集上面第一次證明了科學家的預測，有新聞稱中國發現了美國阿波羅計劃都沒有發現的一個新的科學發現。

我國的深空探測

○ 我國深空探測規劃

我國在今年前已經通過嫦娥一號到嫦娥四號以及今年的嫦娥五號的發射，將實現對月球的「繞」、「落」、「回」第一個三部曲。在2020年以後2030年前，我們國家將要進行月球南極極區資源的開發利用。川普給美國NASA增加16億重返月球的經費需求，在2024年前美國要重返月球，要把第一個女太空人送到月球，送到月球的南極極區。

為什麼要去極區？在月球的極區，由於是永久陰影區，外來隕石帶來的水都儲存在那裡，沒有揮發掉，是固態水，所以大家都想到極區建一個永久的實驗站，在那裡能夠支持我們的基本物質需求。我們國家在2030年前要實施月球極區資源開發利用實驗，中間要有好幾個實驗，我們要去探測月球南極，然後再降到月球南極，再把無人的裝備裝上去，在2030年之前主要還是進行無人的科學考察，但是在後期會考慮有人的實驗。

第二條線就是在深空探測這條線，我們不能只關心月球，月球離地球太近了，火星是最適合改造成人類居住的星球，所以我們在2030年前還有兩次火星的探測任務，還要把火星的樣本從火星帶回地球。還有一個就是小行星，小行星帶是阻礙地球衝出太陽系的障礙，但是小行星帶富含資源。打個比方，鉑金是非常貴重的，但是科學家經過遠距離天文觀測，認定有個別小行星全是鉑金，如果全是鉑金的小行星被拖回地球的話，可能咱們的戒指都不值錢了，而且有的小行星還富含水，所以小行星探測、採樣是目前深空探測的熱點，日本在這方面做的比較好。我們國家在2030年前應該有一次小行星的探測計劃。

另外我們有個夢想，就是要飛出太陽系，我們要進行一次木星穿越。《流浪地球》裡面把木星炸了，我們在炸之前先要看一看，然後穿越木星，看看太陽系的邊緣。這個是我們國家在2030年前的三個重要的深空探測計劃。

我們中國人在航天技術方面，是個後起者，東方紅一號，1970年發射到現在短短的50多年。但是近些年隨著深空探測整個計劃的發展，我們中國人走向宇宙的號角也越來越響了。

我想人類探索未知的願望，有非常大的激情。宇宙到底是怎麼起源，怎麼消亡的，我想無論結果如何，人類的勇氣和堅毅都將被鐫刻在星空下。

謝謝！

（本文整理自舒嶸研究員2019年於「墨子沙龍」的演講）

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