□ 張 瑩

火星空間探測(cè)的歷程（二）

□ 張 瑩

在火星表面漫游的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室——好奇號(hào)漫游車”，美術(shù)概念圖，Credit：NASA/JPL-Caltech

美國(guó)的火星勘測(cè)軌道飛行器

21世紀(jì)的頭十年稱得上是人類探測(cè)火星的大好時(shí)期，不僅發(fā)射的探測(cè)器數(shù)目多，而且成功率非常高。在這十年中，世界上共發(fā)射六個(gè)火星探測(cè)器，除歐洲“火星快車”的著陸器過(guò)早地失去聯(lián)系外，其他探測(cè)器都取得了成功。2005年8月12日，美國(guó)國(guó)家航空航天局成功發(fā)射了“火星勘測(cè)軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter）”，2006年3月10日它進(jìn)入火星軌道，經(jīng)過(guò)軌道調(diào)整，2006年11月開(kāi)始火星探測(cè)。

火星勘測(cè)軌道器是一個(gè)多用途的火星探測(cè)器。一方面，它裝備了多個(gè)科學(xué)儀器，勘測(cè)火星的地形、地層、礦物和冰物質(zhì)，研究火星的氣候規(guī)律、天氣現(xiàn)象和大氣狀況等；另一方面，通過(guò)上述勘測(cè)它為未來(lái)的火星著陸探測(cè)器選擇登陸地點(diǎn)；同時(shí)，火星勘測(cè)軌道器是一個(gè)通訊聯(lián)系的中轉(zhuǎn)站，擔(dān)當(dāng)?shù)厍蛏系目茖W(xué)家和火星表面探測(cè)器之間通訊的橋梁。最初，它的預(yù)期工作期限是2006年11月至2008年11月兩年的時(shí)間，該探測(cè)器表現(xiàn)非常出色，到目前仍然處于工作狀態(tài)。

火星勘測(cè)軌道器攜帶了包括高分辨相機(jī)在內(nèi)的三個(gè)相機(jī)、一個(gè)光譜儀、一個(gè)氣候測(cè)探器和一個(gè)雷達(dá)等探測(cè)設(shè)備，其中高分辨相機(jī)的口徑為0.5米，在火星表面300千米的高空，它可以分辨大小0.3米的物體，它是當(dāng)時(shí)深空探測(cè)器中分辨率最好的相機(jī)?；鹦强睖y(cè)軌道器不負(fù)眾望，取得了不少新的探測(cè)成果?；鹦强睖y(cè)軌道器測(cè)量得出，火星北極冠中水冰的含量約為82.1萬(wàn)立方千米，相當(dāng)于地球上格陵蘭島覆冰的30%；它還在多個(gè)環(huán)形山和一個(gè)峭壁附近發(fā)現(xiàn)了水冰的存在；根據(jù)火星勘測(cè)軌道器的觀測(cè)數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，火星表面存在多種與水相關(guān)的化合物，如氯化物和層狀硅酸鹽等；另外，火星勘測(cè)軌道器還觀測(cè)到火星北極冠中的幾次冰山雪崩現(xiàn)象。

在圍繞火星的軌道上飛行的火星勘測(cè)軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter），美術(shù)概念圖，Credit：NASA/JPL/Corby Waste ；左下角插圖，火星勘測(cè)軌道器在火星撞擊坑中發(fā)現(xiàn)水冰。

鳳凰號(hào)火星著陸器，美術(shù)概念圖，Credit：NASA/ JPL-Caltech/UA/Lockheed Martin

第一個(gè)在火星極區(qū)附近登陸的探測(cè)器——鳳凰號(hào)

鳳凰號(hào)火星著陸器（Phoenix Mars Lander）是由多家機(jī)構(gòu)合作的火星探測(cè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目由美國(guó)亞利桑那大學(xué)的月球和行星實(shí)驗(yàn)室牽頭，在美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的指導(dǎo)下進(jìn)行，包括美國(guó)、加拿大、瑞士、丹麥、德國(guó)、芬蘭的多個(gè)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)參加。鳳凰號(hào)火星著陸器于2007年8月4日發(fā)射，2008年5月25日降落在火星表面。它是第一個(gè)在火星極區(qū)附近著陸并進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器，它的著陸地點(diǎn)處在極冠冰區(qū)與土壤相接的地帶。鳳凰號(hào)火星著陸器是固定在一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行考察的探測(cè)器，它并不進(jìn)行四處漫游活動(dòng)。

鳳凰號(hào)火星著陸器有兩項(xiàng)科研目標(biāo)，其一是研究火星上水的變化歷史，這也是火星上氣候變化的關(guān)鍵因素；其二是評(píng)估火星北極冠冰區(qū)與中低緯度土壤覆蓋區(qū)之間的結(jié)合地帶的微生物生存環(huán)境，以及這里從前的環(huán)境狀況。為此，鳳凰號(hào)火星著陸器配備了多個(gè)科學(xué)探測(cè)儀器，包括可以獲取地表及地下物質(zhì)的機(jī)械臂及其上的相機(jī)、表面立體相機(jī)、氣體分析器、兩個(gè)其他用途的分析探測(cè)器和氣象觀測(cè)臺(tái)，等等。

鳳凰號(hào)火星著陸器預(yù)期的探測(cè)期限是90個(gè)火星日（比92個(gè)地球日略長(zhǎng)），到2008年8月，它基本上完成了預(yù)定的科學(xué)任務(wù)，隨后繼續(xù)進(jìn)行了一些探測(cè)工作，2008年11月10日，天文學(xué)家宣布鳳凰號(hào)火星著陸器探測(cè)工作結(jié)束。經(jīng)過(guò)5個(gè)多月的科學(xué)考察，鳳凰號(hào)火星著陸器獲得了多項(xiàng)新的發(fā)現(xiàn)。首先，在被稱為“Green Valley（N68.35，E233）”的著陸地附近相機(jī)所能觀測(cè)的區(qū)域內(nèi)，地面上巖石體的體積都很小，地面本身非常平坦且呈現(xiàn)為直徑2～3米的多邊形圖案，多邊形之間被0.2～0.5米深的溝槽分割，地面之下幾英尺的深度有冰，這里沒(méi)有其他探測(cè)器著陸地所呈現(xiàn)的波紋型地形和小土丘；其次，在天氣方面，鳳凰號(hào)觀測(cè)到從高空卷云飄落下來(lái)的雪花，分析表明雪花是水冰晶構(gòu)成的，并不是二氧化碳構(gòu)成的干冰雪花，這里的風(fēng)速為11～58千米/小時(shí)，最高氣溫-19.6℃，最低氣溫-97.7℃。此外，天文學(xué)家根據(jù)探測(cè)器傳回地球的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確證了鳳凰號(hào)登陸地區(qū)存在水冰，而且天文學(xué)家認(rèn)為，不久之前，這里的氣候應(yīng)該更加溫暖和潮濕；天文學(xué)家進(jìn)行化學(xué)分析的結(jié)果表明，這里的土壤物質(zhì)中含有氯化物、碳酸氫鹽、鎂、鈉、鉀、鈣、硫酸鹽和高氯酸鹽等物質(zhì)，地表物質(zhì)的PH酸堿度為7.7±0.5。

為載人火星探測(cè)鋪路的“好奇號(hào)”火星漫游車

經(jīng)過(guò)四十多年的火星探測(cè)實(shí)踐，人類探測(cè)火星的技術(shù)不斷提高。探測(cè)方式由飛掠探測(cè)發(fā)展到環(huán)繞探測(cè)，再發(fā)展到登陸探測(cè)，探測(cè)方式逐漸進(jìn)展；探測(cè)器裝備的儀器也越來(lái)越多、越來(lái)越高級(jí)；探測(cè)任務(wù)越來(lái)越全面，從簡(jiǎn)單的地表地形照相到地質(zhì)化學(xué)測(cè)驗(yàn)，從尋找水到火星大氣探測(cè)，從火星磁場(chǎng)到火星氣候變化。21世紀(jì)開(kāi)始后的第二個(gè)十年，科學(xué)家們已經(jīng)著手為未來(lái)的人類登陸火星做準(zhǔn)備，美國(guó)國(guó)家航空航天局的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Mars Science Laboratory ，MSL）即“好奇號(hào)（Curiosity）”火星漫游車就是具有這種用途的一個(gè)火星探測(cè)器。通過(guò)研究著陸地區(qū)的水作用、氣候狀況和地質(zhì)情況，該探測(cè)器用來(lái)確定火星的可居住性，為此，它將開(kāi)展一系列有關(guān)生物、地質(zhì)、地質(zhì)化學(xué)、行星過(guò)程和表面輻射狀況等多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

2013年5月19日，“好奇號(hào)”火星漫游車在火星表面挖出一個(gè)圓洞，“好奇號(hào)”火星漫游車通過(guò)它所攜帶的儀器檢測(cè)所挖出的灰色渣土的化學(xué)成分。Credit：NASA/JPLCaltech/MSSS

2012年10月31日，火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室——“好奇號(hào)”火星漫游車位于蓋爾撞擊坑（Gale Crater）。Credit: NASA/JPLCaltech/Malin Space Science Systems

火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室即“好奇號(hào)”火星漫游車于2011年11月26日發(fā)射，2012年8月6日在火星上的蓋爾環(huán)形山（Gale Crater）地區(qū)登陸?！昂闷嫣?hào)”火星漫游車的預(yù)期探測(cè)壽命為一個(gè)火星年即668個(gè)火星日（折合687天），實(shí)際上，它目前仍在正常工作，到2016年6月1日，它已工作了1358個(gè)火星日（1395天）?！昂闷嫣?hào)”火星漫游車攜帶了多個(gè)高級(jí)科學(xué)儀器，包括多個(gè)相機(jī)、遙感儀器、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器、阿爾法粒子X(jué)射線譜儀、樣品分析儀器和輻射測(cè)量?jī)x器，等等。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不凡的科學(xué)探測(cè)，“好奇號(hào)”火星漫游車帶來(lái)了不同尋常的成果，使人們對(duì)火星有了嶄新的認(rèn)識(shí)。例如，在被稱為“Yellowknife bay（黃刀海灣）”的地方，通過(guò)鉆孔泥石，發(fā)現(xiàn)其中含有硫、氮、氧、磷和碳元素，由于這些元素是組成生命的基本元素，因此，科學(xué)家認(rèn)為火星的化學(xué)條件對(duì)生命現(xiàn)象非常有利。另外，它在火星巖石中發(fā)現(xiàn)了有機(jī)碳；在火星大氣中發(fā)現(xiàn)了甲烷和甲烷活動(dòng)；它還發(fā)現(xiàn)火星表面的輻射會(huì)嚴(yán)重危害人類健康，以及從前火星具有更厚的大氣和更多水，等等。我們期待“好奇號(hào)”火星漫游車今后給人類帶來(lái)更多的驚奇。

火星大氣和揮發(fā)物演化探測(cè)器

火星大氣和揮發(fā)物演化探測(cè)器（Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN Mission，MAVEN）是美國(guó)國(guó)家航空航天局的一個(gè)火星探測(cè)項(xiàng)目，它專門用于探測(cè)火星大氣和水等揮發(fā)物的變化歷史。它在圍繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道上進(jìn)行探測(cè)，它的軌道距離火星表面最近150千米，最遠(yuǎn)6200千米。該探測(cè)器于2013年11月18日發(fā)射，2014年9月22日進(jìn)入圍繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的探測(cè)軌道。

長(zhǎng)期以來(lái)，在火星表面發(fā)現(xiàn)有河床樣子的地況，也發(fā)現(xiàn)了只有水的存在才可生成的礦物質(zhì)，因此，天文學(xué)家推測(cè)，從前的火星上一定有大量流動(dòng)的水，也應(yīng)該有保持火星溫暖的濃厚大氣。那么，是什么原因使得火星變?yōu)槿缃窀稍锘氖徢掖髿庀”〉臉幼恿四兀縈AVEN就是肩負(fù)著這樣探測(cè)使命的一個(gè)探測(cè)器。為了實(shí)現(xiàn)探測(cè)目標(biāo)，MAVEN攜帶了多個(gè)探測(cè)儀器，例如，太陽(yáng)風(fēng)電子分析儀、太陽(yáng)風(fēng)離子分析儀、太陽(yáng)高能粒子記錄儀、磁強(qiáng)計(jì)、紫外成像光譜儀、中性氣體同位素和離子成分測(cè)量?jī)x，等等。

經(jīng)過(guò)大約一年的探測(cè)，MAVEN獲得了寶貴的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家據(jù)此得出結(jié)論，在太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)期間，火星大氣分子被吹向行星際空間，造成嚴(yán)重的氣體分子丟失。如今，MAVEN仍然圍繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)。

火星大氣和揮發(fā)物演化探測(cè)器（Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN Mission，MAVEN），美術(shù)概念圖，Credit：NASA

印度的第一個(gè)火星探測(cè)器

2013年11月5日，印度成功發(fā)射了“火星軌道探測(cè)器”（Mars Orbiter Mission，MOM），它在印度語(yǔ)中被稱為“曼加里安”（Mangalyaan），是火星飛船的意思。2014年9月24日，它進(jìn)入繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道，其預(yù)期的壽命為6～10個(gè)月。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)首先是展示印度的火箭發(fā)射系統(tǒng)、宇宙飛船的制造與運(yùn)行能力；其次，它還探測(cè)火星的表面特征，研究火星的形態(tài)和礦物特性，探索火星大氣的性質(zhì)。2014年9月28日，該探測(cè)器發(fā)布了它的首張火星全球圖片。印度的“火星軌道探測(cè)器”現(xiàn)在已超出了它的預(yù)期壽命，仍在進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。

2013年11月5日，印度發(fā)射的“火星軌道探測(cè)器”（Mars Orbiter Mission，MOM），美術(shù)概念圖，Credit：Nesnad

“火星生命探測(cè)計(jì)劃（ExoMars2016）”的“微量氣體軌道器（Trace Gas Orbiter，TGO）”和“斯基阿帕雷利”登陸演示器，美術(shù)概念圖，Copyright: ESA/ATG medialab

正在赴火星途中的微量氣體軌道器

“微量氣體軌道器（Trace Gas Orbiter，TGO）”的全稱為“火星生命微量氣體軌道器（ExoMars Trace Gas Orbiter）”，它是由歐洲空間局與俄羅斯聯(lián)邦空間局合作的火星探測(cè)項(xiàng)目。它是歐洲空間局主導(dǎo)的“火星生命探測(cè)計(jì)劃（Exobiology on Mars，ExoMars）”的第一個(gè)步驟，根據(jù)該火星探測(cè)計(jì)劃，預(yù)計(jì)2020年將發(fā)射一個(gè)火星漫游車。

“微量氣體軌道器”于2016年3月 14日成功發(fā)射，此次發(fā)射包括微量氣體軌道器本身和一個(gè)被稱為“斯基阿帕雷利”的登陸演示器，后者為未來(lái)的火星登陸器提供技術(shù)準(zhǔn)備?！拔⒘繗怏w軌道器”的任務(wù)包括兩個(gè)方面：其一，在圍繞火星的軌道上探測(cè)火星大氣中甲烷和其他微量氣體的特性，作為分析火星上生命活動(dòng)和地質(zhì)活動(dòng)的根據(jù)；其二，它還作為未來(lái)火星表面漫游車與地球通訊的中轉(zhuǎn)站。

目前，微量氣體軌道器正在飛往火星的途中，預(yù)計(jì)2016年10月到達(dá)火星，2017年晚些時(shí)候開(kāi)始探測(cè)工作。2016年6月13日，當(dāng)它距火星的直線距離為4100萬(wàn)千米時(shí)，安裝在TGO上的相機(jī)（Color and Stereo Surface Imaging System，CaSSIS）拍攝了火星的第一張照片，并將其傳回了地球，當(dāng)然這只是探測(cè)器到達(dá)火星之前的準(zhǔn)備活動(dòng)。

那些失敗的火星探測(cè)項(xiàng)目

如今，人類空間探測(cè)的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，發(fā)射到火星的空間探測(cè)器已經(jīng)為數(shù)不少，美國(guó)、俄羅斯、歐洲空間局和印度在火星探測(cè)方面處于領(lǐng)先地位，這些空間探測(cè)極大地促進(jìn)了人類對(duì)火星的認(rèn)識(shí)。然而，在輝煌的成績(jī)后面，人類探測(cè)火星的歷程中也有不少的失敗，可以說(shuō)，它們是火星探測(cè)道路上不可缺少的環(huán)節(jié)。特別是，從1960年開(kāi)始1969年，蘇聯(lián)陸續(xù)發(fā)射了4個(gè)Korabl系列探測(cè)器、3個(gè)Mars系列探測(cè)器和一個(gè)Zond-2探測(cè)器，這些火星探測(cè)器都以失敗告終。1964年，美國(guó)的Mariner3探測(cè)器也以失利告終，但是同年隨后發(fā)射的Mariner4就取得了成功。20世紀(jì)70～80年代，由于技術(shù)方面的原因，美國(guó)和蘇聯(lián)分別有1次和6次發(fā)射失敗。20世紀(jì)的最后十年，日本加入到火星空間探測(cè)的行列中，不幸的是，1998年它的首個(gè)火星探測(cè)器Nozomi也沒(méi)有成功，同一時(shí)期美國(guó)和俄羅斯則分別遭受4次和1次失利。進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)也成了一個(gè)空間探測(cè)強(qiáng)國(guó)，加入到火星空間探測(cè)的隊(duì)伍中，然而，2011年與俄羅斯合作的Phobos-Grunt/Yinghuo-1火星探測(cè)器以失利告終。

規(guī)劃中的火星探測(cè)項(xiàng)目

如今，隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，火星探測(cè)的隊(duì)伍還在不斷壯大，許多國(guó)家紛紛制定未來(lái)的火星探測(cè)規(guī)劃，火星探測(cè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的局面。美國(guó)國(guó)家航空航天局計(jì)劃將于2018年5月發(fā)射名稱為“InSight（Interior Explorationusing Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport ）”的火星登陸探測(cè)器，用來(lái)研究包括火星在內(nèi)的類地行星的形成和演化，按規(guī)劃它將于2018年11月到達(dá)火星表面。美國(guó)國(guó)家航空航天局還規(guī)劃2020年發(fā)射火星著陸探測(cè)項(xiàng)目，主要目的是探測(cè)火星生命并為未來(lái)人類登陸火星做準(zhǔn)備。歐洲空間局主導(dǎo)的火星生命探測(cè)計(jì)劃的第二步是發(fā)射一個(gè)火星登陸探測(cè)器，目前該計(jì)劃發(fā)射的時(shí)間由原來(lái)的2018年推遲到2020年。印度也正在計(jì)劃發(fā)展被稱為“曼加里安-2”（Mangalyaan-2）的火星探測(cè)項(xiàng)目，它包括著陸器和漫游車，預(yù)計(jì)2018年～2020年發(fā)射。西亞的石油大國(guó)沙特阿拉伯也雄心勃勃準(zhǔn)備研制自己的火星探測(cè)器。2016年初，我國(guó)再次宣布新的火星探測(cè)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2020年左右發(fā)射一顆新的環(huán)繞火星的探測(cè)衛(wèi)星。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）

美國(guó)將于2018年5月發(fā)射的“InSight”火星登陸探測(cè)器，美術(shù)概念圖，Credit：NASA/JPL-Caltech