2020|下一站火星

下一站為什麼是火星離離亂惑，被古人稱之為熒惑。而今看來，這是一塊值得人類開發的處女地。

「熒熒火光，離離亂惑」，是為熒惑，即現在的火星(Mars)。火星，是與地球臨近的一顆地質行星，表面積與地球陸地相當。火星與地球之間的距離變化極大，忽遠忽近，忽明忽暗，，且外表覆蓋了一層赤紅色的氧化鐵，離離亂惑，被古人稱之為熒惑。其與地球之間的平均距離達到了2.25億千米，兩者最近距也有5600萬千米之遙，最遠甚至可達4.01億千米，此時地球與火星之間隔著太陽相望。因為這種亂惑，火星被視為災星，但是而今看來，這是一塊值得人類開發的處女地。

火星

但是，火星與地球之間的距離實在過於遙遠，相比較而言，地月之間的距離不過40萬公裡左右，地火之間的最短距離也是這個距離的140倍，採用現有的航天技術，需要半年多時間才能抵達火星軌道，而且這個最近距離需要等26個月左右才會出現，下一次出現時間為2020年7-8月。因此，才有了今天這篇「2020|下一站，火星」。

人類航天，給人的印象是專業的，高不可攀的，且是國家行為，直到馬斯克的SpaceX出現，才勉強改變了這一個固有觀念。然而火星探測，仍然是道阻且長，需要更多的國際合作，以實現人類成為星際物種的目標。

據新華網消息，國家天文臺陳建生院士在2018年「人類命運共同體的『星』徵程」論壇上指出，相比糧食安全，資源短缺，氣候變化，網絡攻擊，環境汙染等人類造成的問題，地球面臨的更嚴重災難威脅可能來自宇宙環境。其中，最突出的是近地小行星帶來的威脅。目前已統計到的近地小天體達到了1.8萬之多，直徑大於1km的約800個。而且，地球上已發現180個巨大撞擊坑。因此，這嚴重威脅到了地球上的生命。

為了人類能夠長久的生存下去，目前主流的做法有兩個。

1、改變小行星軌道、炸毀小行星甚至捕獲小行星。

2、在太陽系尋求人類的第二家園，如在月球和火星上建立人類永久居住地。

對於月球的探索相對容易的多，不需要等待特定的窗口，人類的太空飛行器即可輕鬆的抵達。年初，我們的嫦娥四號也已經在月球背面成功著陸，下一步將會採集月壤回地球。但是，我們對於火星也是念念不忘的。除了美國，俄羅斯，歐洲，日本和印度都已經發射了探測器去火星，卻缺少了有航天大國地位的中國。因此，從這一點上，我們也必須去火星探索。那裡，可能成為人類的另一個棲居地。

同為院士的歐陽自遠院士也指出「小天體撞擊的危險應成為人類命運共同體有序健康發展進程中值得關注的一個問題，全世界的科學家應該聯合起來監測小行星」。中國領導人不止一次在國際場合提到人類命運共同體，因此人類在太空探索上個，應該有更多的合作。我們始終秉承開放的態度，與國際同道為人類命運共同體建設作出應有的貢獻。兩位院士的話也明確釋放了我們願意開放合作的信號。

中美深空探測實力簡介中國的科學家其實一直非常渴望與火星進行接觸，除了美國、蘇聯、歐洲取得了火星探測成果，日本和印度也都相繼探索了火星，唯獨中國缺席，這是中國航天人的一大遺憾。2020年將是下一個探火窗口，中國這一次將不再缺席。

目前為止，中國在深空探測方面，已經完成了探月工程的繞和落，嫦娥二號在完成探月任務後，還去探查了圖塔蒂斯小行星。在前不久，我們通過處於地月拉格朗日點的鵲橋中繼衛星，使嫦娥四號順利完成了舉世矚目的月球背面著陸，中國的深空探測實力正在穩步增強。在航天載具方面，長徵五號也已經有過一次成功的首飛，雖然第二次失敗，但我們可以相信再次出徵的胖五，必將成功衝破天際，為我們進行探火奠定最堅實的基礎。

美國在火星探測上是最具實力的國家，他們自1964年12月5日和28日相繼發射了水手3號和4號，於1965年7月14日成功掠過火星的水手4號向地球發回了21張照片，此後又在環繞太陽軌道上花費3年時間對太陽風進行探測。水手4號發回的數據表明火星的大氣密度遠比此前人們認為的稀薄，也沒有發現磁場或輻射帶。這些新數據促使天文學家修改後續的火星研究設計，也顯示火星上存在生物的可能性比先前預測的還低。

之後美國還在60年代發射了水手6號和7號，均取得了巨大成功，獲得了大量珍貴數據。之後，美國向火星發射了大量的探測器，目前最新發射到火星的探測器是2018年5月5日發射的洞察號，其上搭載了一個儀器調度相機（IDC）、一個儀器環境相機（ICC）、一臺火震儀以及一臺熱流和物理性質探測儀，更多信息可以參看公眾號《永結無情遊相期邈雲漢》的專題更新——有驚無險成功著陸火星！你好呀，洞察號！

雖然美國已經取得了巨大的成功，但是智慧人類文明在地球上發展了幾千上萬年，對於地球仍然沒有了解完全，因此人類將會繼續探索這顆紅色星球，獲取更多的信息。下面，讓我們看看中國與美國在2020年的探火計劃。

中國「探火2020」任務介紹

在2020年的任務之前，中國其實已經進行過一次探火嘗試，該探測器被命名為「螢火一號」，搭載在俄羅斯的福布斯-土壤探測器中[7] ，由天頂-2SB運載火箭從哈薩克斯坦境內的拜科努爾航天中心於2011年11月8日發射。但是由於俄方探測器未能成功變軌而導致此次任務失敗。這次任務失敗後，中國再沒有執行過火星探測任務。中國的科學家其實一直非常渴望與火星進行接觸，除了美國、蘇聯、歐洲取得了火星探測成果，日本和印度也都相繼探索了火星，唯獨中國缺席，這是中國航天人的一大遺憾。2020年將是下一個探火窗口，中國這一次將不再缺席。

任務基本信息

• 發射地點：中國海南文昌航天發射場101發射工位；
• 火箭：長徵五號；
• 載荷：火星軌道探測器和著陸器（暫未命名）；
• 發射時間：2020年7月23日至8月5日，擇機發射；
• 發射窗口：每天3個窗口，寬度±5分鐘；
• 地火轉移時長：約7個月；
• 軌道類型：短轉移+深空機動。

以上內容來自航天愛好者網，根據葉培建院士講座內容整理。

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任務概述

本次探測任務希望一次性完成軌道器繞火飛行、著陸器登錄火星、火星車巡視火星，同時在繞火過道和地面巡視過程中採集科學數據。為了完成以上目標，共有13個科學載其中7個科學載荷布置在軌道器上，6個布置在著陸器和火星車上，用於探測火星及其表面周圍的空間環境、行星土壤、大氣形態、水冰分布以及火星的內部空間結構。從科學載荷可以看出中國由於在前期缺席了火星探測，這次將藉助長徵5號的巨大運力，以後發優勢完成一項壯舉，走到世界前列。

為了規劃未來火星探測任務，軌道器上配備了中等和高解析度相機，類似於NASA的Hi-Rise，以增強對火星的了解。在下圖中，我們可以看到軌道器上的相機以及用於通信的高增益天線。為了完成前面提到的那些任務，其他儀器初步計劃還將包括火星磁力計、離子/中性粒子分析儀和用於研究火星電離層的高能粒子分析儀。至於火星地下、表面的水冰探測將使用軌道器上的雷達進行探測。除此之外，可能還有礦物光譜探測儀。

在2018年德國不萊梅國際宇航大會上展出的中國火星2020任務軌道飛行器模型

圖源|@航天愛好者網

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為了保證以上任務的順利進行，我們還需要突破遠距離空間通信的難題。除了超遠距離通信，火星稀薄的大氣，對於著陸器動力著陸也是一個巨大挑戰。著陸器將採用鈍的空氣動力學外形，用於進入段，同時部署超音速降落傘用於最後階段的動力下降。結合最新的自動避障技術，將有助於完成火星表面的著陸。

著陸階段示意圖

截至目前，已經在地面模擬了部分著陸技術，探月著陸任務的經驗，也將有助於我們完成探火任務。

著陸器登陸火星示意圖|@新華網

著陸區選取

• 工程角度：綜合權衡地形地貌特徵、光照條件、著陸風險與火星車行走避障能力要求等3方面因素；
• 科學角度：著眼於科學探測預期成果提出對著陸區選擇傾向；
• 選擇原則：科學與工程的權衡，側重工程實現風險低、代價可接受的方案。

任務難點分析

Ø 任務起點高，技術跨度大

一次實現「繞著巡」，多任務耦合設計，難以兼顧；

任務固有風險大，國際火星任務成功率僅為52%；

發射規模大，有效著陸質量僅次於好奇號，環繞火星探測能力與國際相當。

Ø 關鍵環節多，攻關難度大

關鍵性、唯一性環節多：捕獲制動、器箭分離、著陸開傘、動力減速等；

全新氣動外形、新型盤縫帶傘、新式主動懸架、行星際測控等7類18項關鍵技術。

Ø 任務環境新，不確定性大

火面諸多新環境，不確定性大；

目前設計沒有準確一手設計。

Ø 研製周期短，試驗難度大

專項試驗項目多、規模大；

火星環境困難，試驗難度大。

對於中國第一次探測火星，讓我們一起祝願任務成功。

美國探火介紹NASA火星任務概述原文連結:https://mars.nasa.gov/mars2020/mission/overview/

Mars-2020火星車的任務是美國宇航局長期採用機器人探索火星計劃的一部分。Mars-2020任務旨在完成火星探測的一些高優先級科學目標，包括關於火星潛在生命的關鍵問題。該任務的下一步不僅尋找古代火星上可居住條件的跡象，而且還要尋找過去微生物存在的跡象。火星2020火星探測器引入了一種鑽頭，可以用來收集一些有研究前景的土壤和巖心樣本，並將它們放在火星表面的一個「緩存器」中，未來的火星任務可以將這些樣本帶回地球，這將有助於科學家們使用地球上的那些無法送入火星的大型設備來研究實這些樣本。該任務還提供了收集更多信息和展示技術的機會，以應對未來人類探險火星的挑戰。這些措施包括測試從火星大氣中產生氧氣的方法，識別其他資源（如地下水），改進著陸技術，以及研究可能影響太空人未來在火星上生活及工作的天氣，塵埃和其他潛在環境條件。

該任務計劃在2020年7月~ 8月擇機發射，此時地球和火星相對於彼此處於良好的位置，以便降落在火星上。也就是說，與其他地球和火星在其軌道上處於不同位置的時間相比，此時前往火星需要的能量更少。為了儘可能降低任務成本和風險，Mars-2020將在NASA以往成功的火星科學實驗室任務架構上進行，包括好奇號探測器和經過驗證的著陸系統。

火星任務目標

目標一：確定火星上是否有生命

目標二：確認火星大氣特徵

目標三：描繪火星的地質特徵

目標四：為人類探索做準備

火星2020探測器有四個主要的科學項目，支持該計劃的科學目標：

• 尋找可棲居地：確定火星以往可以維持微生物生命的環境；
• 尋找生命印記：在這些適宜居住的環境中尋找過去可能存在的微生物生命跡象，特別是在已知能夠保持生命跡象的特殊巖石中；
• 緩存樣本：收集巖心和「土壤」樣品並將其儲存在火星表面；
• 為人類登陸火星做準備：測試火星大氣中的氧氣產量

所有這些都與火星作為生命之地的潛力有關。前三個想要確定的是火星過去存在微生物生命的可能性。即使火星車沒有發現任何生命的跡象，它也為有一天火星上的人類生命鋪平了道路。Mars-2020火星車還將進行與其四個目標相關的其他科學研究。例如，用火星車監視火星大氣層中的天氣和灰塵。這些研究對於了解火星的日常和季節變化非常重要，並將有助於未來的人類探險者更好地預測火星天氣。

火星任務技術進入火星、下降和著陸技術

該任務依賴於已成功應用的技術創新，尤其是進入（Entry）、下降（Descent）和著陸（Landing）階段（EDL）。與NASA的好奇號火星車(火星科學實驗室任務)一樣，Mars-2020也使用了有制導的EDL。Mars-2020任務著陸系統包括一個降落傘、降落器(descent vehicle)和一種稱為「空中機動(skycrane maneuver)」的方法，來完成整個降落過程。通過這個方法，在著陸前的最後幾秒鐘，可以通過繫繩將探測器降落到火星表面。這種類型的著陸系統能夠使一個非常大且重的探測器降落在火星表面，而且這個著落區域的精度比以往的好奇號更高。

繫繩下降著陸|@NASA

Mars-2020探測器增加了新的EDL技術，如地形相對導航（Terrain-RelativeNavigation ，TRN）。TRN允許探測器在火星大氣層下降期間通過它來探測和避開危險地形。除此之外，一個麥克風用來幫助地面工程師分析EDL過程。同時，這個麥克風還可以捕捉探測器工作時的聲音，這將為工程師提供有關探測器健康狀況和運行情況的線索。

火星表面工作技術

Mars-2020探測器是基於好奇號火星探測器設計的。好奇號火星探測器之前取得的成功，降低了本次任務的成本和風險。

這次任務中，探測器的遠程移動系統允許它在火星表面行駛3到12英裡(5到20公裡)。 除了其他改進之外，探測器還有一個新的、更強大的車輪設計。在火星採樣方面，探測器首次攜帶了一個鑽頭，用於從火星巖石和土壤中取樣。它採用一種稱為"倉庫緩存"的策略，將巖心和土壤收集並存儲在放置於火星表面的管道中。緩存展示了一種新的收集、存儲和保存樣本的方法。它可能為未來的任務鋪平道路，未來的任務可以收集這些緩存樣本並將其帶回地球進行密集的實驗室分析。

Mars-2020探測器通過一種從火星大氣中提取氧氣的技術幫助人類在未來探索火星時做好制氧技術準備。火星大氣中含有96％的二氧化碳。這項新技術的測試，有助於任務規劃人員驗證如何利用火星的自然資源來支持人類探險者，並改進生命支持系統、交通系統以及其他在火星上生活和工作時所需要的重要系統。

火星任務著陸點選取原文：

https://mars.nasa.gov/mars2020/mission/timeline/prelaunch/landing-site-selection/

火星任務著陸點的早期科學評估標準

科學家們對Mars-2020探測器潛在著陸地點的每一個標準進行了評估，美國宇航局認為這些來自火星科學界的標準是將Mars-2020著陸點從8個縮小到3個的關鍵。

標準1：該場地是一個與天體生物學相關的古老環境，具有地質多樣性。如果：a) 具有形成和地質改變記錄過程的特徵；b) 經過與天體生物學有關的調查(例如，宜居性和生物跡象保存潛力的評估)，將有可能產生一些基礎科學發現；

標準2：在這個地點採集到的巖心和土壤樣本被放入緩存器中嚴格保存，在未來被帶回地球時，有可能產生基礎科學發現；

標準3：人們對假設、證據和任何解釋模型都有充分的信心去支持標準1和標準2；

標準4：在主要任務範圍內，滿足標準1和標準2的情況下，人們有足夠自信可以充分研究該地區最具科學價值的地區；

標準5：無論是富含水的含水礦物、冰/冰巖或地下冰的形式，這個地點都具有很大的潛力，可能對未來的勘探有用。

在以上5個標準的指導下，在2017年2月8日至10日舉行的Mars-2020火星探測任務的第三次著陸現場研討會上，一組科學家縮小了美國宇航局Mars-2020火星探測器降落的可能位置，最終會上選擇了三個區域作為著陸候選區：ColumbiaHills，Jezero Crater，NE Syrtis。

ColumbiaHills：Gusev曾經有水流過

泉水曾經從ColumbiaHills的巖石中冒出，發現泉水在這裡流動是勇氣號（Spirit）的一項重大成就。這個發現是一個很特別驚喜，因為勇氣號在100英裡(160公裡)寬的Gusev隕石坑任何其他地方都沒有發現水的跡象。2010年勇氣號停止工作後，對其舊數據記錄的研究表明，過去的洪水可能在Gusev隕石坑形成了一個淺湖。

JezeroCrater：潮溼，乾燥，再次潮溼

Jezero 隕石坑講述了火星在過去一次次潮溼與乾燥的故事。這裡至少有兩次被水注滿並排出。35億多年前，河道溢出火山口，形成了一個湖泊。 科學家們發現有證據表明，在湖泊乾涸之後，水將周圍地區的粘土礦物帶入了火山口。可以想像，在其中一個或多個潮溼時期，微生物生命可能在Jezero生存。 如果是這樣的話，他們的遺體可能會在湖底沉積物中被發現。

NESyrtis：曾經溫暖且潮溼

火星活動曾經使NE Syrtis變暖。地下熱源使溫泉流動，表面冰融化。微生物可能在這裡與礦物質接觸的液態水中繁衍。NE Syrtis的分層地形在火星早期歷史的連續時期內擁有豐富的水和礦物之間相互作用的記錄。

早期評估標準的補充

隨著任務科學和工程考慮的發展，Mars-2020探測器的潛在著陸點可能會發生變化。最終，NASA將選擇一個具有液態水歷史的地方，該地方也符合Mars-2020任務著陸點早期標準。

• Mars-2020探測器可以在這個地區實現所有任務的科學目標嗎？
• 該地區是否在巖石記錄中顯示曾經有適當的環境條件來支持過去的微生物生命？
• 該地區是否有各種巖石和「土壤」（風化層），包括那些來自古代火星可以支持生命的時期？
• 不同的地質和環境過程，包括與水的相互作用，是否會隨著時間的推移改變這些巖石？
• 現場的巖石類型是否能夠保存前世的物理、化學、礦物或分子標誌？
• 如果緩存器中的巖心和土壤樣本在未來被帶回地球，科學家希望從這些樣本有一些基礎性的發現，那麼它們是否具有潛力？
• 登陸地點是否有水資源（水冰和/或含水礦物），探測器可以研究這些水資源，以了解未來人類登陸火星後這些水資源的潛在用途？
• 火星車是否能夠在不受地形構成的重大危險的情況下著陸，並從一個地方移動到另一個地方？

Mars-2020的最終著陸點選取

在2018年12月23日，NASA官網放出消息，確認Jezero隕石坑作為Mars-2020最終著陸點。

Mars-2020著陸點|@NASA

高清視頻：Mars2020Target 火星2020目標https://v.qq.com/x/page/o0833h3tigc.html

後記

我們以開放的態度，合作的姿態，展望未來人類航天發展。

人類探索太空，是人類這個渺小的物種進行的最偉大的事情。齊奧爾科夫斯基曾說地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃中。人類為了繁衍生息，必將會向著太陽系的其他區域開拓，建立人類基地，成為一個星際物種。但是，人類目前的能力還不足以支撐起這個夢想。

我們需要一步步徵服星辰大海，第一個目標月球我們已經有能力去建立月球基地，下一步人類將向紅色星球發起衝擊。Mars-2020，除了中美，歐洲與俄羅斯也會有相應的探索計劃，接下來的其他窗口，各大航天大國都會繼續探索紅色星球。這是一個長遠的探索過程，最終要建立人類據點，不是一個國家可以完成的，展開合作，擁抱未來是人類走向星辰大海的必經之路。引用前文兩位院士的觀點：我們以開放的態度，合作的姿態，展望未來人類航天發展。

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