尹懷勤

6月20日和26日，美國科學家分別宣布，“鳳凰”號火星著陸探測器發(fā)現(xiàn)，火星北極確實存在冰凍水，當?shù)赝寥赖膲A性環(huán)境與地球上某些區(qū)域相似，符合種植蘆筍等作物的要求。這兩項成果引起人們的廣泛關注和極大興趣。這標志著人類在探測火星征途上又邁出了重要一步，這也意味著火星離我們又近了一些。

從1960年到現(xiàn)在，人類共向火星發(fā)射了38個探測器，成功率僅為50％，這么多的失敗經(jīng)歷，不僅沒有打消反而更激起了人類對火星的憧憬與向往。人類之所以如此關注火星，是因為它是太陽系中與地球類似之處最多的行星，它寄托了人類在地球以外發(fā)現(xiàn)生命的厚望，它有可能成為人類的第二家園以及人類飛出太陽系的踏板。

人類探索火星的歷程

火星是顆外殼為固體的行星，距離太陽2.279億千米，約為地一日距離的1.52倍，繞日公轉1周需687天。它的赤道半徑為3397千米，體積是地球的15％，自轉周期為24小時37分23秒，僅比地球自轉周期長41分鐘。有趣的是，火星也像地球一樣側著身子繞日公轉，因此火星一年也有春夏秋冬四季變化。同時，它還有兩顆天然衛(wèi)星。由此可見，火星環(huán)境最接近地球，是被科學家認為最有可能存在生命的星球。正因如此，人類進入空間時代以后，就把火星選作探測地外行星的第一目標。航天器飛向火星的活動不僅起步早和次數(shù)多，而且探測成果最為顯著，也為探測其他行星積累了經(jīng)驗。

從1960年到現(xiàn)在，人類共向火星發(fā)射了38個探測器，其中蘇聯(lián)／俄羅斯18個，美國18個，日本1個，歐洲空間局1個。在19個成功對火星進行探測的航天器中，有5個飛掠火星，7個成為火星的人造衛(wèi)星，7個著陸火星。它們獲得的照片和探測數(shù)據(jù)傳回地球后，成為人類認識火星及其周圍環(huán)境的依據(jù)。航天器就近觀測火星和實地勘察火星，大大豐富了人類對火星的認識，并加強了科學家們派人登臨火星的決心，以徹底揭開其神秘面紗。

向行星發(fā)射航天器可選用多種飛行路線。為了節(jié)省能量，通常采用初始速度最小的飛行路線，并將其稱為最佳軌道。最佳軌道只有1條，對包括火星在內的外行星來說，這就是外切于地球公轉軌道、內切于目標行星公轉軌道的雙切式橢圓軌道：對水星和金星兩顆內行星來說，這就是內切于地球公轉軌道、外切于目標行星公轉軌道的雙切式橢圓軌道。它是奧地利科學家霍曼于1925年提出來的，故又稱霍曼軌道?；袈壍离m可節(jié)約火箭能量，卻因速度小而使飛行時間較長，航天器從地球到達火星需要奔馳259天。

由于地球和火星都在繞日運行，兩者的相對位置不斷發(fā)生變化。當太陽、地球、火星處于同一條直線上時，稱為相沖。兩次相沖間隔的時間叫做會合周期。顯而易見，在一個會合周期內地球、火星及太陽三者之間的每一種相對位置只能出現(xiàn)一次，故對選定的霍曼軌道來說，每一個會合周期內只有一次有利的發(fā)射時機?；鹦桥c地球的會合周期為780天即26個月，因此每26個月才有一次沿霍曼軌道發(fā)射航天器的發(fā)射窗口。

在向火星發(fā)射的38個航天器中，“鳳凰”號排在末位，是最新型的一科，火星探測器。目前，有6個航天器正在對火星進行探測，其中有美國的“奧德賽”號、“火星偵察軌道器”和歐空局的“火星快車”3個軌道器，有美國的“勇氣”號、“機遇”號和“鳳凰”號3個著陸器。

“鳳凰”探秘火星北部

美國當?shù)貢r間5月25日16時38分，“鳳凰”號探測器成功降落在火星北緯68度的接近北極地區(qū)，位置相當于地球上的加拿大北部?！傍P凰”號因而成為人類第一個在地球的外鄰星最北地區(qū)著陸的航天器。

2001年4月27日美國發(fā)射的并于同年10月24日進入環(huán)火星軌道運行的“奧德賽”號探測器，曾于2002年在火星北緯65度以北地區(qū)發(fā)現(xiàn)大范圍凍水層存在的證據(jù)，凍水層位于火星表面之下約0.5米處?！傍P凰”號就是奔著這片凍水層而去的，計劃開展為期3個月的探測活動。研究人員希望它能挖掘火星土壤樣本，尋找可能存在的冰層，并分析土壤中是否存在有機物，以判斷火星現(xiàn)在或過去的環(huán)境是否適宜生命存活。如果找到了水和發(fā)現(xiàn)了有機物的線索，那就是對火星探測的一個重大貢獻。

為了實現(xiàn)上述探測目標，“鳳凰”號攜帶著7種科學儀器設備。一是用鋁鈦合金制成的機械挖掘臂。它長達2.35米，可以挖到火星地表之下半米深的土壤，并將樣本傳送到兩臺分析儀器中；二是機械臂照相機。它安裝在機械臂末端的挖掘鏟上，可以拍攝土壤以及其中冰的特寫圖像；三是熱量和釋出氣體分析儀。它有8個微型烤箱，可將土壤樣本加熱，并測量隨著溫度上升樣本中的水蒸氣、二氧化碳及揮發(fā)性有機物的變化：四是顯微鏡以及電化學和傳導性分析儀，顯微鏡主要用于分析礦物顆粒樣本，電化學分析儀用于研究一些化學特性，如是否有溶解的鹽分存在、土壤酸堿度等。位于機械臂上的傳導探測器則可檢查土壤的熱量及電傳導特性：五是立體照相機。它可拍攝著陸位置地形的高清晰度、彩色、立體圖像；六是氣象儀。它由加拿大航天局提供，可以檢測火星大氣層的塵埃、溫度等變化；七是火星降落成像儀，它可在著陸吋動態(tài)拍攝火星著陸位置的地質情況。

這些儀器采用了很多成熟的技術成果，包括1999年著陸火星后失去聯(lián)系的“火星極地登陸者”和原定2001年發(fā)射后來又被取消的“火星勘測著陸器”所攜帶的或經(jīng)改進的部分裝置。正因如此，“鳳凰”號探測器的成本相對較低，這是美國航宇局執(zhí)行名為“偵察”的低成本火星探測計劃以來發(fā)射的首個探測器。

“鳳凰”號碩果累累

作為一個固定的火星登陸器，“鳳凰”號以幾近完美的方式完成了著陸任務并于2小時后傳回第一批火星圖片。

5月31日，“鳳凰”號伸出機械臂末端的挖掘鏟首次進行試挖，在火星泥土上留下了一個類似人類腳印的痕跡。這第一次接觸火星的成功為之后的采集土壤和向其他科學儀器傳送土壤樣品做好了準備。

6月5日，美國航宇局展示了“鳳凰”號利用光學顯微鏡拍攝的火星表面塵埃顆粒的高清晰度照片。其中一些顆粒小到人類頭發(fā)直徑的十分之一。照片中的塵埃顆粒大小各異、色彩斑斕，顏色涵蓋了從半透明白色到純黑色的色譜。研究人員認為，一個色澤光亮發(fā)白的顆粒可能是鹽，不大會是冰。因為那樣小的冰顆粒會在拍照之前融化。但鹽同樣引人注目，因其通常分布在冰的周圍。

6月12日，“鳳凰”號傳回的圖像顯示，它的機械臂已經(jīng)成功地把火星土壤樣本撒到了光學顯微鏡的樣本盤上。顯微

鏡上的土壤樣本大致呈橘紅色，里面有一些綠色顆粒，可能是橄欖石，這種礦物質與火山噴發(fā)有關?！坝職狻碧柣鹦擒囅惹霸诨鹦巧习l(fā)現(xiàn)過橄欖石。土壤樣本里還含有黑色圓形玻璃狀顆粒，可能是火山玻璃。

6月15日，“鳳凰”號機械臂挖掘鏟在著陸點西北角挖出一個大約5厘米深的溝，發(fā)現(xiàn)了約8個明亮的小碎塊。這些碎塊16日時還存在，但到18日卻蒸發(fā)不見了。研究人員說，此一現(xiàn)象表明，原來的明亮碎塊就是掩埋于一層薄土之下的水冰，當其暴露于空氣中時逐漸被蒸發(fā)掉了。“鳳凰”號著陸點目前白天溫度約為-32℃，晚間是80℃。在火星稀薄的大氣中，水的沸點僅為4℃，很容易蒸發(fā)，而二氧化碳需要在-125℃以下才能變成固態(tài)的干冰，鹽則不會蒸發(fā)，這就排除了明亮碎塊是干冰或鹽的可能性。據(jù)此，6月20日，“鳳凰”號探測項目首席科學家彼得·史密斯在新聞發(fā)布會上宣布，火星北極確實存在水冰。

6月26日，美國科學家在新聞發(fā)布會上說，“鳳凰”號機械臂挖掘鏟在火星表面以下2.5厘米處采集到1立方厘米土壤，用儀器檢測其酸堿度即pH值。結果顯示，土壤溶液的pH值在8～9之間，呈堿性。同時，分析儀器還在土壤中檢測出鎂、鈉、鉀等元素和氯化物。分析表明火星北極土壤沒有毒性，地球上類似土壤環(huán)境適合種植蘆筍、青豆等作物，喜好化學物質的細菌也適合在其中繁殖。不過，火星土壤中沒有檢測出碳元素和有機物。新發(fā)現(xiàn)只是增加了火星北極平原具有適宜原始生命存活的條件。

不言而喻，“鳳凰”號今后在火星上還會有新的發(fā)現(xiàn)。在結束預定90天的火星表面探測任務后，它將啟動所攜的氣象儀，用激光雷達和溫度壓力測量裝置監(jiān)測火星大氣層的變化情況，記錄火星北極每天的天氣狀況。顯而易見，“鳳凰”號對火星表面和大氣層的探測，都將為探索人類登陸火星的可能性提供有用的科學數(shù)據(jù)。

展開“火星生命計劃”

探測火星有無低級生命、將來能否成為人類的第二家園，原是發(fā)射航天器奔赴這顆暗紅色星球的初衷。而有無生命跡象，就要看火星上面是否存在適宜的空氣、溫度和水分。研究航天器傳回地球的資料可知，火星大氣稀薄干燥，變化莫測，氣壓僅為地球的0.s％，主要成分是占95％的二氧化碳和占3％的氮，水含量僅占0.03％?；鹦窃茖又饕煞质嵌趸寄Y成的干冰。火星經(jīng)常發(fā)生比地球上規(guī)模還要大的沙塵暴。1976年7月20日和9月3日先后著陸火星的美國“海盜1”號和“海盜2”號探測器測得所處位置的溫度在26℃～-54℃之間，可以存活低級生命，但沒有發(fā)現(xiàn)生命。

航天探測表明，火星除兩極極冠有冰層和高緯度地區(qū)地表下面有永凍冰層外，其他地區(qū)都沒有水。雖然有些地形顯示曾被水流沖刷，但都處于干涸狀態(tài)。美國科學家們研究傳回地面的大量照片發(fā)現(xiàn)，火星表面曾出現(xiàn)一些新的深谷和滑坡，這只有在地下有大量滲水流動的情況下才可能形成。他們預計，地下水儲存在火星表面以下100～400米的石層空洞之間。這一分析有待未來更進一步的探測加以證實。

實際上，發(fā)射“鳳凰”號僅是美國實施“火星生命計劃”的一個組成部分。按照1996年開始實施的該計劃規(guī)定，美國每隔26個月發(fā)射1至2個無人探測器，以確定火星上是否存在生命。在“勇氣”號和“機遇”號登陸火星之后，這個計劃的重點轉為探測火星上是否具備生命存活的條件。美國于2005年8月12日發(fā)射的“火星偵察軌道器”，是當今最大的人造火星衛(wèi)星，已在這方面進行了有益的探測，傳回了大量數(shù)據(jù)資料。

“勇氣”號和“機遇”號兩個火星車，原定工作90天，可4年半過去了，至今仍然漫游在靠近火星赤道的區(qū)域繼續(xù)開展探測工作。由此可見，“鳳凰”號的實際工作時間也會超過原定期限，在接近火星北極的固定地點作超期服役的就地探測。這3個著陸探測器已經(jīng)并將進一步為美國提供火星典型區(qū)域的科學數(shù)據(jù)，從而幫助科學家加深對火星的認識。

從已公布的信息來看，美國將于2009年或2011年發(fā)射“火星科學實驗室”著陸探測器，這種新一代火星車性能更為先進，它約有一輛吉普車大小，比目前仍在火星上工作的“勇氣”號和“機遇”號大幾倍，其穿行能力也將得到更多改善，可在陡坡上正常行駛。新型火星車將依靠核能來工作，取代目前火星車上使用的太陽能電池板，因而可大大增加漫游車的行程和使用壽命，提高其開展實驗活動如鉆探的能力。新型火星車最引人注目的是用“空間起重機”登陸，如果成功，將是著陸探測火星技術上的一次飛躍?！盎鹦强茖W試驗室”能對火星上一些“死角”進行考察，進一步探索火星上是否有生命存在。

美國力爭在2014年之前讓返回式航天器帶回第一批火星土壤和巖石樣本，供科學家直接進行分析研究，以完成“火星生命計劃”規(guī)定的任務。隨著“取樣返回”任務的完成，美國“火星生命計劃”也將結束。此后，美國將為載人火星探索做各種準備，以期最終實現(xiàn)載人登陸火星。

為人類登陸火星做準備

以美國為首的一些國家緊鑼密鼓地探測火星，都是為本世紀30年代實現(xiàn)派人登陸火星的目標做準備工作的。不難想象，在結束“火星生命計劃”之后，美國必將把多個性能更為先進的航天器送上火星，并實施多次的返回飛行，為開啟載人火星之旅進行探路。因為自2004年1月14日美國總統(tǒng)布什提出2030午后派人登陸火星的計劃后，美國航宇局就開始了相關研究工作，并準備把未來的載人登月航天器“奧賴恩”加以改進，使其成為載人登陸火星的航天器，打算在2031年實現(xiàn)載人登陸火星。

在布什宣布派人登陸火星計劃的同一天，俄羅斯高級官員就宣稱，如有經(jīng)費有保證，我能在10年內將人送上火星。歐空局于2004年2月3日宣布的“曙光”火星探測計劃則稱，力爭在2033年實現(xiàn)歐洲航天員登上這顆紅色星球的夢想。實際上，俄羅斯和歐空局也已啟動送人奔向火星的某些項目的預先研究，并不排除他們捷足先登的可能性。

歐空局除單獨開展預研工作外，還分別與美、俄進行合作攻關。2004年2月6日，“火星快車”飛經(jīng)“勇氣”號探測的火星表面上空時，歐空局即通過前者向后者發(fā)送了信息，并收到了后者的反饋信號。這是歐美火星探測器首次進行聯(lián)系試驗，并獲成功。此舉無疑對將來雙方航天員登上火星后進行通信聯(lián)系有重要意義。與此同時，歐美還在研究航天員奔赴火星途中維持生命保障系統(tǒng)方面互相借鑒。依照歐俄合作計劃，雙方將于2008年末開展“火星-500”試驗，對載人火星飛行進行全方位的地面模擬。

不言而喻，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，將有越來越多的國家參加到探測火星和派人登陸火星的行列中來，只有航天員登上火星以后，才能確定人類將來能否移民火星。

(文章代碼：1502)

[責任編輯]龐云

相關鏈接

人類火星之旅面臨幾大難題

一是飛行動力的問題。由于火星之旅路途遙遠，除發(fā)射升空需要強大運載動力外，還需為飛船長途航行提供可靠的動力。同時，著陸火星后還要解決能源需求問題。目前的辦法是利用太陽能電池板，但其穩(wěn)定性仍令人擔憂，尚需考慮使用核能裝置。

二是人身保護和空氣、飲食供應問題。航天員在乘船飛往火星過程中，太陽風暴和宇宙射線風暴常會持續(xù)數(shù)日之久，這就需要加強太空天氣預報能力和改進各種防護設備。同時，在路途上和到達火星后，都需要保證航天員對氧氣、飲水和食品的需要。

三是人體必須適應新的環(huán)境問題。飛往火星途中，航天員長期處于微重力狀態(tài)，會出現(xiàn)肌肉松弛或骨質變輕等太空綜合癥，而能活動的空間又很小，使這一問題更加嚴峻。另外火星的溫度、大氣、引力等問題，也是對人體的挑戰(zhàn)和考驗。

四是著陸火星和實時聯(lián)絡問題。飛船進入火星要經(jīng)過離軌、過渡、進入大氣層和軟著陸四個階段，盡管時間不長但危險性很大。由于地球與火星距離遙遠，無線電信號單程傳輸需要10多分鐘，故而航天員無法獲得地球控制中心的及時幫助，必須依靠飛船的自動控制設備和自己的知識、經(jīng)驗來解決遇到的問題。著陸火星后，還需要保證與地球的正常通訊聯(lián)系。