火星為啥這麼「火」｜專家詳解多國探測計劃

作者 | 池涵

即日起，阿聯「希望號」火星探測器、中國「天問一號」火星探測器和美國「毅力號」火星探測器將陸續奔赴火星。

多國火星探測器為什麼會不約而同地選在這個時間窗口密集發射？各國的火星探測又各有什麼特色？

阿拉伯世界的「希望」

火星的公轉周期幾乎是地球的兩倍，它們之間的距離一直在變化。中國航天系統科學與工程研究院研究員陳杰告訴《中國科學報》，每隔大約780天也就是26個月，會出現地球與火星最接近的一刻。

而此前的兩三個月，就是發射火星探測器的窗口期。這個時候從地球發射探測器去火星，形象地說就是『走最近的路』去火星。

「希望號」也稱為「酋長號」，是阿聯也是阿拉伯—伊斯蘭國家的第一個行星探測器，重1.5噸，攜帶高解析度彩色數位相機、紅外光譜儀和紫外光譜儀三臺儀器。

「希望號」此行預計將花費7~9個月到達火星，屆時將環繞火星飛行，開始為期2~4年的科學數據採集。

陳杰認為，「希望號」任務比較專一，瞄準火星大氣研究。現有數據只能提供火星一小段時間的溫度和氣候信息。而如果「希望號」取得成功的話，其探測數據將會首次為科學家提供火星每年、每季、每天的全球氣候變化圖景。

「這將進一步加深人類對火星氣象的了解，為尋找當今火星天氣與遠古火星大氣之間的聯繫、研究氧和氫從火星大氣中散逸出去的機制、揭示火星大氣的演變、了解火星是否曾經存在生命以及生命是如何消失的等問題提供重要支撐。」陳杰說。

美國普林斯頓大學天體物理系和普林斯頓等離子體物理實驗室研究員董川飛告訴《中國科學報》，「希望號」號稱第一個真正意義上的火星氣象衛星。

了解火星上每日天氣和季節變化 (比如火星上常見的沙塵暴)對將來人類登陸乃至移居火星有重大意義。

阿聯2014年7月宣布「希望號」研製計劃，2020年7月發射，「希望號」2021年5月到達火星的時候正逢阿聯建國50周年。阿聯還表示將以「希望號」為起點，在2117年前在火星建立人類定居點。

一場「逐火」盛宴

「希望號」雖然承載著阿拉伯世界的雄心，但其背後還有許多其他國家科學家們的辛勤耕耘。

據董川飛介紹，阿聯的科學與工程團隊對「希望號」的研製得到了美國多所高校和研究機構的極大支持。

其中，相機與紫外光譜儀主要由美國科羅拉多大學大氣與空間物理實驗室負責研發製造，紅外光譜儀主要由美國亞利桑那州立大學負責研發製造。整個「希望號」主要由科羅拉多大學大氣與空間物理實驗室負責組裝製造。

陳杰介紹，為了實現火星探測和載人航天夢想，阿聯採用商業操作、國際合作的模式，邀請了200多位美國科學家和工程師參與。俄羅斯和歐洲還幫助培訓阿聯航天員，2019年9月，阿聯航天員曼蘇裡搭乘聯盟飛船進入國際空間站。

此次「希望號」的發射，阿聯還與日本合作，利用日本的H-2A火箭。

1998年，日本曾發射了一顆同樣名為「希望號」的火星探測器，但由於一系列技術故障，該探測器沒有進入環繞火星軌道。

「日本目前有一個金星軌道飛行器『曉』正在研究金星大氣， 所以應該已經不存在發射火星探測器的技術問題。」董川飛說，「日本目前的研究重點放在火星的兩個衛星的樣本返回上，這比火星的軌道飛行器難度大很多。」

另據了解，日本的「火星衛星探查計劃」將於 2024 年發射, 計劃從「火衛一」取樣並於 2029 年返回地球。

而美國也希望借「火星2020」項目重返火星，送「毅力號」火星車登陸火星。

從美國火星探測的規劃來看，「毅力號」是在前期的軌道器、著陸器和巡視器找到火星上有水的證據、探測火星內部等之後，開始探索火星的可移居性，尋找生命跡象。

陳杰表示，「毅力號」任務有兩方面的創新：一是「站點緩存」。「毅力號」可以收集火星巖石和土壤的巖芯樣品，放在火星表面的「緩存站點」。這將是首次從火星巖石和土壤中提取巖芯樣品，未來航天員可能會把這些樣品帶回地球進行研究。二是「毅力號」攜帶了旋翼無人機登陸火星。

這是人類首次在另一個星球嘗試旋翼飛行。「毅力號」落地後，名為「機智號」的無人機會被放置在火星表面，在接收中繼指令後自主起飛，作為「偵察員」，發揮輔助作用。

對於中國而言，2011年，搭載在俄羅斯「福布斯—土壤」火星探測器內部發射升空的「螢火一號」環火探測器，是中國火星探測計劃中的第一顆火星探測器。但由於「福布斯—土壤」變軌失敗，「螢火一號」沒有進入火星軌道。

「如果說『螢火一號』只是一次嘗試，那麼『天問一號』則是我國深空探測的跨越，是航天強國建設的重要標誌。」陳杰介紹，「天問一號」將搭載我國新一代大型運載火箭長徵五號發射，從研製到發射都是全自主的。

去火星探究生命的起源

火星路遠行艱，究竟是什麼吸引著各國的科學家，使多國耗費如此大的人力物力發射探測器？

藍箭航天火箭研發中心總經理戴政認為，尋找火星是否存在或者曾經存在生命的證據、解答生命起源和生命是否在宇宙中的問題，具有普遍性。同時，研究火星大氣和地質等科學問題，對研究天體地質和演化有很多的借鑑意義，對地球的環境變遷變化也有借鑑意義。

陳杰則認為，火星探測是航天強國的重要標誌，我國首次自主的火星探測任務成功實施可進一步縮短與美國、俄羅斯等在深空探測技術方面的差距，積累更多深空探測領域的經驗，推動我國在行星探測、空間科學、空間技術等方面的發展，使我國躋身全球深空探測領先者的行列。

陳杰介紹說，從探測器構成看，我國的「天問一號」火星探測器設計成環繞器和著巡組合體兩部分，由於著巡組合體由著陸器和巡視器（火星車）兩部分構成，實際上包括了三部分；美國火星探測器就是著陸器和巡視器兩部分構成；阿聯的「希望號」則只是環繞探測器。

從探測目標上看，我國的「天問一號」要實現「繞、落、巡」三個目標，即環繞火星探測、著陸火星並進行巡視探測；美國的探測器主要是「落、巡」兩個目標；阿聯則是「繞」一個目標，即實現火星環繞探測。

「將『繞、落、巡』三種任務結合在一起，在世界上屬於首創。工程難度確實很大，但經過艱苦努力解決了大量工程難題後，我們有信心、有把握完成這次探測任務。」陳杰說。

據了解，到下一個火星探測窗口即2022年，歐盟與俄羅斯合作的「地外火星」任務將發射，去搜尋過去或現在（可能的）火星生命的生物特徵。美國會發射火星樣本返回計劃，日本將發射火星衛星樣本返回計劃。

更有意思的是，各國都已經開始長遠計劃並布局最終將人類送上火星的任務。美國太空探索技術公司（SpaceX）執行長馬斯克表示，將從2022年開始向火星運送貨物，為建立火星前哨站鋪路。

「這些任務都值得期待。人類探測火星的步伐一直在持續，還將繼續持續下去。」陳杰說。

《中國科學報》 （2020-07-17 第1版 要聞 原標題為《「逐火」盛宴啟幕》）

編輯 | 趙路

排版 | 志海

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