□ 中國(guó)科學(xué)院探月工程總體部

毫無(wú)疑問，火星探測(cè)是當(dāng)前國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，而探測(cè)火星的科學(xué)目標(biāo)是牽引工程實(shí)施的重要輸入。近十年來(lái)，國(guó)際火星探測(cè)取得了巨大成就。2011年1月13日，美國(guó)NASA召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布美國(guó)火星探測(cè)的最高科學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)椤八褜ど盘?hào)”，這就意味著未來(lái)十年火星探測(cè)的科學(xué)中心將轉(zhuǎn)變?yōu)殚_展與火星生命信號(hào)搜尋相關(guān)的各類探測(cè)活動(dòng)。

從以大型任務(wù)為主到實(shí)施“快、好、省”探測(cè)戰(zhàn)略

美國(guó)在1993年發(fā)射了“火星觀測(cè)者”號(hào)，它是一個(gè)綜合性的軌道探測(cè)器，總預(yù)算高達(dá)8．13億美元。由于“火星觀測(cè)者”號(hào)任務(wù)遭遇失敗，NASA重新審視和調(diào)整了以大型任務(wù)為主的原有火星探測(cè)戰(zhàn)略，于1994年啟動(dòng)新一輪火星探測(cè)計(jì)劃—MEP。MEP是NASA制定的長(zhǎng)期火星探測(cè)計(jì)劃，包括火星探路者和火星勘查計(jì)劃。1996年4月，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)成立火星探測(cè)部，此后的美國(guó)火星探測(cè)任務(wù)基本是由JPL主導(dǎo)。

“火星觀測(cè)者”號(hào)任務(wù)失敗后，美國(guó)在火星探測(cè)任務(wù)中貫徹和推行“快、好、省”的戰(zhàn)略(Faster，Better and Cheaper，F(xiàn)BC)。這項(xiàng)戰(zhàn)略的主要宗旨是要在火星探測(cè)中選擇小型化、低成本、科學(xué)目標(biāo)更明確的探測(cè)器，而不是高成本、多科學(xué)任務(wù)、系統(tǒng)復(fù)雜的大型探測(cè)器?！盎鹦怯^測(cè)者”號(hào)未能實(shí)現(xiàn)的科學(xué)目標(biāo)也被分解成一系列小型探測(cè)任務(wù)，所研制的8臺(tái)科學(xué)儀器也轉(zhuǎn)向應(yīng)用于后續(xù)探測(cè)任務(wù)。

在實(shí)施“快、好、省“戰(zhàn)略之前，火星探測(cè)的成本高昂、系統(tǒng)復(fù)雜，NASA每十年才能發(fā)射一個(gè)探測(cè)器。在推行“快、好、省”戰(zhàn)略后，盡管NASA預(yù)算仍然有限，但自1996年以來(lái)的每個(gè)火星發(fā)射窗口(約26個(gè)月)，都至少發(fā)射一個(gè)或多個(gè)火星探測(cè)器(包括軌道器、著陸器和火星車)。因此，實(shí)施“快、好、省”戰(zhàn)略可以有效減少火星探測(cè)的成本，降低探測(cè)任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)．使探測(cè)火星的長(zhǎng)期規(guī)劃不至于因?yàn)橐淮问≡斐蔀?zāi)難性后果。

1996年至今，NASA已發(fā)射4顆軌道器、3個(gè)著陸器和3輛火星車。除火星氣候軌道器和火星極地著陸器遭遇失敗外，其它都獲得了成功，特別地，勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車從設(shè)計(jì)壽命3個(gè)月到實(shí)現(xiàn)超期服役近七年，火星奧德賽號(hào)在軌運(yùn)行近十年，成為迄今最長(zhǎng)壽的火星探測(cè)器。此外，“鳳凰”號(hào)作為第一次小型火星探測(cè)任務(wù)，同樣獲得大量科學(xué)數(shù)據(jù)和豐富科學(xué)成果。

因此，NASA的實(shí)踐證明，“快、好、省”戰(zhàn)略是成功和有效的。

從注重全球遙感到開展火星表面就位和巡視探測(cè)的轉(zhuǎn)變

火星探測(cè)的方式包括飛越探測(cè)、環(huán)繞探測(cè)、著陸探測(cè)、巡視探測(cè)等四種類型。

美國(guó)上世紀(jì)60年代的火星探測(cè)以飛越探測(cè)為主，共開展4次飛越探測(cè)。

這說(shuō)明，1996年以來(lái)美國(guó)新“一輪的火星探測(cè)任務(wù)已經(jīng)從注重全球遙感到開展就位探測(cè)和巡視探測(cè)的轉(zhuǎn)變，成為目前火星探測(cè)的主要方式，更是未來(lái)火星探測(cè)的重要方向。這種轉(zhuǎn)變也反映出美國(guó)火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)從原來(lái)對(duì)火星地質(zhì)、氣候等全球特征，轉(zhuǎn)移到對(duì)火星的水和生命等重大科學(xué)問題。

從單項(xiàng)任務(wù)的科學(xué)探測(cè)到火星系統(tǒng)科學(xué)的轉(zhuǎn)變

早期火星探測(cè)中最為出色的主要成果是海盜1號(hào)和海盜2號(hào)獲得的。1996年以來(lái)，火星探測(cè)任務(wù)的成功率明顯提高，涵蓋獲取地質(zhì)、大氣、磁場(chǎng)等科學(xué)任務(wù)，但每次任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)都有不同的側(cè)重點(diǎn)。如火星全球勘探者號(hào)主要開展火星地形地貌的科學(xué)探測(cè)，高分辨相機(jī)和激光高度計(jì)成為其最重要的主載荷；同樣是軌道器的奧德賽號(hào)的科學(xué)目標(biāo)則聚焦于火星氣候演化和火星上水的探測(cè)。

隨著1996年以來(lái)眾多火星探測(cè)任務(wù)積累的科學(xué)數(shù)據(jù)大大增加，以及在此基礎(chǔ)上獲得的大量科學(xué)成果和新發(fā)現(xiàn)，使得對(duì)火星的認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)新水平。通過這些探測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析，科學(xué)界逐漸認(rèn)識(shí)到，火星作為一個(gè)行星系統(tǒng)，本身發(fā)生著復(fù)雜而多樣的變化。為了形成對(duì)火星的全面認(rèn)識(shí)，必須深刻理解火星系統(tǒng)的基本組成部分，各部分之間的相互作用和相互聯(lián)系，以及這些相互作用在不同地質(zhì)歷史時(shí)期的變化等關(guān)鍵科學(xué)問題。因此，未來(lái)十年的火星探測(cè)任務(wù)將從單項(xiàng)任務(wù)的科學(xué)探測(cè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)火星系統(tǒng)科學(xué)的研究。

從“追蹤水的痕跡”到“搜尋生命信號(hào)”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變

1. 追蹤水的痕跡獲得巨大成功?；鹦翘綔y(cè)計(jì)劃分析小組是NASA總部任命的科學(xué)家委員會(huì)，旨在思考未來(lái)十年美國(guó)火星探測(cè)的投入，規(guī)劃火星探測(cè)任務(wù)，并確定不同科學(xué)目標(biāo)優(yōu)先程度。小組在2001年、2004年、2005年、2006年、2009年和2010年都發(fā)布過題為《火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)、探測(cè)任務(wù)、應(yīng)用研究及其優(yōu)先性分析》的研究報(bào)告，作為NASA制定火星探測(cè)任務(wù)科學(xué)目標(biāo)的重要參考和依據(jù)。

在2001年的報(bào)告中提出，NASA火星探測(cè)的四大科學(xué)方向?yàn)榛鹦巧⒒鹦堑刭|(zhì)、火星氣候、為載人登火星等探測(cè)做準(zhǔn)備。

“水”是四大方向中最高級(jí)別的科學(xué)目標(biāo)和應(yīng)用研究的焦點(diǎn)。此后，“追蹤水的痕跡”成為NASA火星探測(cè)的最高戰(zhàn)略目標(biāo)，其它科學(xué)目標(biāo)都服從和服務(wù)于這一目標(biāo)。

2.搜尋生命信號(hào)成為未來(lái)火星探測(cè)的最高戰(zhàn)略目標(biāo)?！犊茖W(xué)》雜志在1996年發(fā)表9位科學(xué)家共同完成的題為《尋找火星上的古老牛命：火星隕石ALI184001殘存有可能的生命活動(dòng)痕跡》的論文?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)ALH84001新鮮的斷裂面上含有大量的碳酸鹽小球體和多環(huán)芳香碳?xì)浠衔?PHA)，并在掃描電子顯微鏡下觀察到長(zhǎng)約50nm的卵狀物。這些可能的火星生命證據(jù)在科學(xué)界和大眾媒體都引起強(qiáng)烈反響，激發(fā)了美國(guó)進(jìn)一步開展火星探測(cè)的熱情，甚至提出在2008年采回火星巖石和土壤樣品的探測(cè)計(jì)劃。

2007年5月，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)發(fā)布《火星探測(cè)的天體生物學(xué)戰(zhàn)略》研究報(bào)告，指出火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)應(yīng)進(jìn)一步延伸，提出“尋找碳”和尋找其他生命相關(guān)元素的科學(xué)方向。NRC準(zhǔn)報(bào)告中認(rèn)為未來(lái)火星探測(cè)廊以火星生命探測(cè)為重點(diǎn)，在科學(xué)目標(biāo)和實(shí)施戰(zhàn)略上分為三步走：

一是探測(cè)火星環(huán)境，包括火星上過去存在水的證據(jù)、火星大氣中存在甲烷的證據(jù)。二是探測(cè)火星上微生物生存和繁衍的可能性。三是尋找火星上的生命。

最新的一個(gè)重要信號(hào)是，2011年1月13曰，NASA在美國(guó)國(guó)家航空航天博物館召開新聞發(fā)布會(huì)。NASA火星探索計(jì)劃的總指揮Doug McCuistion宣布，美國(guó)的火星探測(cè)從“追蹤水的痕跡”正式轉(zhuǎn)變?yōu)椤八褜ど盘?hào)”。這意味著未來(lái)十年美國(guó)火星探測(cè)的科學(xué)重心將轉(zhuǎn)變?yōu)殚_展與火星生命信號(hào)搜尋相關(guān)的各類探測(cè)活動(dòng)。

NASA火星探測(cè)四大科學(xué)方向