徐侃彥，馬玲玲，印紅，張軼男

（1.航天神舟生物科技集團有限公司，北京 100190；2.北京市空間生物工程技術(shù)研究中心，北京 100190；3.中國航天科技集團公司空間生物工程研究中心，北京 100190；4.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

引 言

隨著我國航天技術(shù)的不斷發(fā)展，未來將逐漸深入開展以太陽系其它星球為目標的深空探測活動。深空探測的主要目標之一就是探尋宇宙中地球以外的生命信息。在太陽系的所有星球中，火星是與地球環(huán)境最相似的星球，也是最可能存在地外生命的星球之一，因此一直是國際上深空探測的重點關(guān)注對象。我國對火星的探測行動開始較晚，2011年和俄羅斯合作發(fā)射的“螢火1號”探測器雖因俄方的技術(shù)原因而失敗，但標志著我國在火星探測方面邁出了第一步。根據(jù)我國已經(jīng)透露的未來深空探測計劃，將于2020年正式登陸火星。然而，火星探測必須遵守行星保護國際公約。

所謂行星保護，是指在太空探測過程中，為避免地球生物污染太陽系其它星球（包括行星、月球、彗星和流星等），以及保護地球免遭來自太陽系其它星球的生物侵襲所采取的行為[1-2]。其中對地球微生物污染其他星球的防護被稱為正向污染防護，而防護地外生物污染地球的行為被稱為逆向污染防護。行星保護的觀點在人類開始探測太空的初期就形成了，國際科學理事會專門成立了空間研究委員會（Committee for Space Research，COSPAR）負責管理行星保護[3]。1967年生效的《外太空條約》把行星保護納入了太空探測的指導(dǎo)方針中，為行星保護提供了國際法理依據(jù)[4]，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、歐洲空間局（European Space Agency，ESA）以及俄羅斯等開展深空探測活動的國家和組織分別依據(jù)COSPAR對行星保護的要求，制定了各自的行星保護政策和標準規(guī)范[5-7]，并對所開展的深空探測任務(wù)進行了嚴格的行星保護[8-10]，由此可見：行星保護是每一個開展深空探測活動的國家都應(yīng)該予以遵守的國際化行為。

火星由于其環(huán)境的特殊性而成為行星保護的重點防護對象。1964年，COSPAR第26號決議宣布：“尋找地外生命是空間研究的重要目標之一，在生命搜尋活動能夠圓滿開展之前，所有火星探測活動應(yīng)該在確保火星不被生物污染的前提下進行；所有發(fā)射深空探測器的國家應(yīng)該在實驗計劃的制定和航天器滅菌技術(shù)開發(fā)、使用等方面密切合作，防止污染事件的發(fā)生”。這一決議奠定了火星在行星保護中的重要地位。

歐美和俄羅斯的火星探測活動已經(jīng)開展了40多年，擁有深厚的行星保護技術(shù)積累和豐富的管理經(jīng)驗。隨著我國火星探測計劃的正式啟動，如何使我國的火星探測器滿足國際上行星保護標準的要求，成為我國航天界面臨的一個重要的挑戰(zhàn)。本文著重介紹了NASA在火星探測歷史上的行星保護行為，同時分析了現(xiàn)代科學技術(shù)對行星保護的影響，并在此基礎(chǔ)上對我國未來火星探測活動中應(yīng)該采取的行星保護措施提出了建議。

1 行星保護等級要求

1984年，COSPAR正式采用了以任務(wù)等級劃分為核心的行星保護指導(dǎo)方法，根據(jù)深空探測任務(wù)的目標和類型的不同，將行星保護劃分為5級。其中與火星有關(guān)的探測任務(wù)主要被歸于行星保護的等級Ⅲ和等級Ⅳ。等級Ⅲ用于軌道運行和飛越火星的航天器，等級Ⅳ用于與火星發(fā)生直接接觸的著陸和火星表面探測任務(wù)[2]。為了加強火星探測行星保護的管理，1994年，COSPAR細化了火星的行星保護政策，即根據(jù)任務(wù)是否包含生命探測工具將等級Ⅳ進一步劃分為Ⅳa和Ⅳb[11]，并于2002年專門針對調(diào)查火星“特殊區(qū)域”的任務(wù)新增加了一個等級Ⅳc。所謂“特殊區(qū)域”指的是“地球生命有可能繁殖或火星生命存在的可能性很高的區(qū)域”[12-14]，只要是接觸“特殊區(qū)域”的著陸器或表面探測器，無論其是否包括生命探測試驗的任務(wù)，都被列為等級Ⅳc。有關(guān)行星保護等級Ⅳ任務(wù)的詳細分類和相應(yīng)的微生物控制要求見表1。

表1 行星保護等級Ⅳ任務(wù)的詳細分類Table 1 Planetary protection detailed categories for Ⅳ missions

2 火星探測歷史上的行星保護

人類對火星的探測可以分為兩個階段：第一階段始于19世紀60—70年代，冷戰(zhàn)時期美蘇兩個超級大國先后開展了飛越火星、繞火星軌道飛行以及火星著陸等20多次、多種類型的探測活動。其高潮是美國的“海盜號”實現(xiàn)在火星的軟著陸，這是美國第一次在其他行星實現(xiàn)航天器軟著陸[15]。第二階段是20世紀90年代中期至今，以美國為首的歐美國家以考察火星生命和宜居性為目標掀起的第二次火星探測高潮。在此期間造訪火星的航天器和無人探測器，包括“火星全球探測者號”“火星奧德賽號”，兩個火星探測巡游器“勇氣號”和“機遇號”，歐洲的“火星快車”以及目前仍在火星上探測生命跡象的“好奇號”[16-17]等。

2.1 海盜號的行星保護

“海盜號”火星探測計劃是人類歷史上第一次登陸可能存在生命的地外星球并進行對地外生命調(diào)查的行為，采取了美國深空探測以來的最嚴苛的行星保護措施[15]。

2.1.1 滅菌方法和材料的選擇

為了選擇“海盜號”著陸艙的最佳滅菌方法，NASA進行了詳盡的研究，最終確定干熱滅菌法是所有滅菌方法中最有效、最可控、綜合效果最好的措施。同時為了選擇適合干熱滅菌法的材料和部件，NASA下屬的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）從60年代中期就對超過262種材料、4萬個部件進行性能測試，從中篩選適于干熱滅菌的材料和部件，甚至為了滿足一些關(guān)鍵部件的滅菌要求而開發(fā)了耐高溫新材料[18]。

2.1.2 潔凈操作和微生物檢測

控制航天器總裝、集成和測試（Assembly，Integration and Test，AIT）過程中的微生物水平是行星保護的關(guān)鍵，“海盜號”在AIT過程中所采取的潔凈操作手段包括：提高原材料和零部件的清潔等級；在NASA指定的潔凈間進行加工；控制AIT環(huán)境中的污染物水平，減少操作人員攜帶的污染物；定期對探測器組件進行微生物水平檢測；不同組件對接前對所有對接表面進行標準清潔操作；按照部件的潔凈等級進行密封包裝等[19]。

2.1.3 著陸器整器的干熱滅菌

“海盜號”著陸器在裝配完成后進行了整器干熱滅菌處理，滅菌采用在密封和加壓條件下，向著陸器和與其連接的生物防護罩內(nèi)注入干熱惰性氣體的方式進行。整個過程持續(xù)43～50 h（包括升溫和降溫階段），并且在著陸器內(nèi)部所有溫度探測點數(shù)值達到111.7℃之后，維持此溫度達30 h[20]。

2.1.4 二次污染防護

為了確保著陸艙在滅菌后不被二次污染，NASA為著陸器設(shè)計了一個生物防護罩，該防護罩由一種柔軟、結(jié)實又耐高溫的材料建造，具有隔斷微生物滲透、穿過的能力。生物防護罩與著陸器連接后一起進行最終滅菌，并在最終滅菌結(jié)束后至發(fā)射前，始終保持密封狀態(tài)，且內(nèi)部一直維持正氣壓。著陸器與軌道器之間不發(fā)生任何直接接觸，所有電子和機械連接均通過生物防護罩進行，以確保未經(jīng)滅菌的軌道器不對著陸器產(chǎn)生二次污染[21]。

2.1.5 發(fā)射后的行星保護措施

NASA在“海盜號”巡航期間以及到達火星之后也采取了一些行星保護的措施，包括：對著陸器姿態(tài)進行調(diào)整，利用太陽紫外線對著陸器暴露表面進行消毒，以防止未經(jīng)滅菌處理的軌道器在巡航過程中對滅菌后的著陸器產(chǎn)生二次污染；到達火星軌道之后，控制軌道器的軌道，確保其不會撞擊火星；著陸器降落到火星表面之后，先對生命探測設(shè)備自身進行生物監(jiān)測，確保設(shè)備在探測火星生命時的潔凈度等[22]。

2.2 90年代以后的火星探測和行星保護

1992年，美國國家研究理事會（National Research Council，NRC）發(fā)布了名為“火星生物污染：問題和建議”的報告，建議未來火星探測的行星保護參考70年代“海盜號”的清潔等級，并根據(jù)任務(wù)是否帶有生命探測工具決定微生物控制方法的嚴格程度。對沒有生命探測任務(wù)的航天器應(yīng)該至少滿足微生物總量不超過3 ×105個芽孢的要求。相反，攜帶原位探測火星生命工具的航天器則應(yīng)需要達到微生物總量小于30個芽孢的水平[23]。

90年代以后的火星探測器基本遵循了這一行星保護的指導(dǎo)思想和標準[16，24-26]，其中最典型的是2011年發(fā)射的“火星科學實驗室”探測器，其搭載的“好奇號”火星車屬于行星保護Ⅳa類任務(wù)。值得關(guān)注的是，NASA不僅對“好奇號”火星車和“火星實驗室”探測器執(zhí)行了行星保護，還對搭載“火星實驗室”的運載火箭，包括火箭整流罩，地面運輸設(shè)備，發(fā)射場設(shè)施等與探測器相關(guān)的地面設(shè)施均采取了嚴格的行星保護措施，尤其是整流罩內(nèi)部的微生物潔凈度，達到了遠高于探測器本身的4.65個/m2芽孢的水平，從而確保了探測器在整流罩內(nèi)部得到了良好的潔凈防護[27]。

3 NASA目前對火星任務(wù)的行星保護要求

NASA于1999年更新了其行星保護政策指導(dǎo)文件NPD8020.7G[28]，并通過一系列程序性文件規(guī)定了針對不同天體探測任務(wù)的行星保護需求要點以及標準操作方法[29-31]。對火星任務(wù)的行星保護要求主要包括以下要點：①降低航天器硬件的生物污染；②航天器和潔凈室環(huán)境生物含量的評估；③航天器有機物污染防護；④避免計劃外撞擊；⑤二次污染防護；⑥貫穿任務(wù)全程的行星保護管理。

3.1 降低航天器硬件的生物污染

行星保護重點防護的微生物主要是產(chǎn)芽孢菌，NASA至今仍以芽孢數(shù)量作為衡量探測器微生物負荷的標準。然而，現(xiàn)代生物學技術(shù)的進步使人們對微生物在極端環(huán)境下生存能力的認識不斷更新[32-34]，最新觀點認為除了產(chǎn)芽孢菌以外，一些嗜極微生物對火星行星保護也很重要。對航天器硬件表面和裝配潔凈間的分析的結(jié)果已經(jīng)證實了這些嗜極微生物的存在[35-38]。這就對目前行星保護中所采用的微生物滅菌方法提出了新的要求。

可用于探測器滅菌的方法有很多。除了首選的干熱滅菌法[39]外，NASA的研究人員發(fā)掘了一些可替代干熱滅菌的航天器滅菌方法以用于一些無法承受高溫處理的航天器組件，包括：輻射滅菌法[40]、低溫等離子體法[41]和過氧化氫蒸汽法[42]等。此外，還研究了探測器發(fā)射后利用空間輻射效應(yīng)對探測器進行滅菌的可能[43]。

3.2 航天器和潔凈環(huán)境生物含量的評估

評估航天器AIT環(huán)境，以及航天器表面的清潔度是貫徹行星保護需求的基礎(chǔ)。在航天器AIT過程中，應(yīng)定期對航天器和潔凈環(huán)境的微生物水平進行檢測，再通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計評估航天器表面的微生物密度和總量水平[44]。同時，也應(yīng)對滅菌前后的航天器或組件的微生物含量進行檢測，以評估滅菌的有效性。為了避免火星著陸器的硬著陸對火星造成污染，對于火星著陸器，不僅需要檢測表面微生物水平，還需要對材料內(nèi)部的微生物水平進行評估[45]。在檢測技術(shù)方面，也由傳統(tǒng)培養(yǎng)計數(shù)法，逐漸向快速分子檢測法發(fā)展[46-49]。

3.3 有機污染防護

對地外星球的生命探測需要測量特定有機分子的數(shù)量，可能破壞火星生命探測的有機物包含：與生命起源有關(guān)的化合物、可作為微生物生長和代謝底物的物質(zhì)、簡單有機分子、高分子聚合物以及太空航天器的推進排放產(chǎn)物等。這些非生命污染物可通過以下作用破壞對火星生命的探測：①直接影響對火星生命的探測；②污染“特殊區(qū)域”，影響未來對該地區(qū)的生命探測；③幫助被航天器轉(zhuǎn)移到火星上的地球微生物生長；④污染火星大氣，破壞與生命探測有關(guān)的示蹤氣體的測量。由此可見，對非生命有機污染的控制是行星保護的重要需求之一。NASA要求對火星探測器材料所包含的有機物進行存檔，并記錄在項目發(fā)射前行星保護報告中。在“好奇號”火星漫游器的建造過程中，NASA對其采樣系統(tǒng)采取了嚴格的有機物清洗操作，以避免有機物殘留對火星生命探測的影響[50-51]。

3.4 避免計劃外撞擊

航天器與火星的撞擊對行星保護可能造成兩方面的后果：首先，撞擊產(chǎn)生的高溫可能導(dǎo)致火星表面固態(tài)水的融化，從而人為在火星表面創(chuàng)造出了一個“特殊區(qū)域”；其次，撞擊可能會把航天器表面和內(nèi)部的微生物引入火星表面，造成對火星的生物污染。為了避免上述污染的發(fā)生，行星保護要求等級Ⅲ的繞火星飛行航天器必須同時滿足20年內(nèi)撞擊火星的概率小于0.01，50年內(nèi)撞擊火星的概率小于0.05，如果航天器不能滿足上述要求，那航天器所攜帶的芽孢總量必須低于5×105個[52]。

3.5 二次污染防護技術(shù)

對航天器的滅菌僅僅是航天器微生物污染防控的開始，航天器組件被滅菌之后，應(yīng)放置于潔凈環(huán)境中，后續(xù)操作也應(yīng)在潔凈環(huán)境中進行，以維持航天器所要求的潔凈度[53-54]。如果AIT環(huán)境的潔凈環(huán)境無法滿足航天器或某一組件滅菌后的潔凈防護需求，則該航天器或組件應(yīng)被放在一個生物屏障中。對美國的火星航天器來說，其生物屏障設(shè)計基本沿襲“海盜號”生物屏障的思路和技術(shù)[55]，例如“鳳凰號”火星探測器的采樣臂，由于可能接觸火星的特殊區(qū)域，需要滿足行星保護Ⅳc級的微生物水平要求，因此采用了局部生物防護罩的技術(shù)，將采樣臂和探測器其它部件隔離，從而有效避免了采樣臂的二次污染[26]。隨著行星保護技術(shù)和措施的廣泛實施，NASA目前從運載工具、整流罩、到發(fā)射基地附屬設(shè)施均能滿足二次污染防護的需求，其中，裝載火星實驗室探測器的整流罩內(nèi)部潔凈度達到了遠高于探測器本身的程度，從而使整流罩在一定程度上承擔了生物防護罩的功能[27]。

3.6 項目運行全過程的行星保護管理

NASA對等級Ⅲ和等級Ⅳ的火星探測任務(wù)都要求項目實施單位提供包括從發(fā)射前的準備到任務(wù)結(jié)束后的總結(jié)在內(nèi)的一系列行星保護報告。在項目的起始階段，負責項目的部門就需要提出一個行星保護的計劃，并需得到NASA行星保護辦公室的批準。隨后，NASA基于對項目指定的行星保護等級，會針對軌道偏置、潔凈室裝配、滅菌和檢測、有機物歸檔以及二次污染防護等提出一系列指導(dǎo)方針和需求。項目負責部門在任務(wù)計劃中所需要提供的信息包括：對撞擊概率的分析、對微生物含量的估算、污染分析計劃、微生物檢測計劃、微生物含量降低計劃，以及報告上交的時間表等。此外，等級Ⅳ的著陸器和探測設(shè)備必須對其有機物種類和含量進行記錄和歸檔，并提供防止發(fā)射前二次污染的措施[30]。

4 我國行星保護發(fā)展現(xiàn)狀和建議

進入21世紀以來，人類對火星的探測步伐呈現(xiàn)出逐漸加快之勢，按照美國的火星探測計劃，未來將要在火星上建立有人駐留的基地。我國作為新興的航天大國，在火星探測方面雖然起步較晚，但與國外的火星探測計劃相比，起點較高，在沒有發(fā)射飛越火星和圍繞火星軌道的航天器的條件下，將于2020年直接實現(xiàn)火星軟著陸，這對我國的行星保護技術(shù)和管理提出了重大的挑戰(zhàn)。面對這一情況，中國空間技術(shù)研究院作為火星探測任務(wù)的工程總體，對火星探測任務(wù)的行星保護工作給予了高度重視，并加強了對相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究。2016年作為國際合作方參與了歐盟組織的外太陽系行星保護項目，和歐美行星保護領(lǐng)域的專家就行星保護的政策、標準、技術(shù)和操作展開了深入的探討；2018年，在北京組織了關(guān)于行星保護的國際研討會，邀請歐美專家和國內(nèi)同行交流行星保護相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗。

行星保護是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要與深空探測有關(guān)的所有國家部門、企業(yè)、軍隊和科研院所的共同參與和密切配合，才能滿足火星探測行星保護的需求。為了使我國未來深空探測活動的行星保護能夠滿足國際標準， 我們需要盡快加強行星保護技術(shù)研究。

首先，從我國在航天材料、航天器建造和微生物防控技術(shù)的實際條件出發(fā)，著重開發(fā)技術(shù)簡單，成熟度較高的技術(shù)和產(chǎn)品，以滿足當前行星保護的需求；其次，瞄準國際上行星保護技術(shù)的最新發(fā)展趨勢，前瞻性的開展一些關(guān)鍵技術(shù)的研究，如微生物快速檢測和鑒定技術(shù)、材料內(nèi)部微生物污染防護技術(shù)、有機物污染防護技術(shù)以及生物防護罩建造技術(shù)等，追趕國外航天強國行星保護的技術(shù)水平，滿足我國未來深空探測對行星保護的更高需求。

5 結(jié)束語

行星保護是每一個開展深空探測的國家都應(yīng)該遵守的行為準則，是我國航天工程走向深空探測所必須具備的關(guān)鍵技術(shù)之一。持續(xù)開展行星保護相關(guān)技術(shù)研究和管理體系建設(shè)，對未來我國在火星及深空探測中滿足行星保護的國際標準，維護我國負責任的航天大國的形象具有重要的意義。此外，為滿足行星保護要求所開發(fā)的有關(guān)微生物污染防護技術(shù)，也可用于滿足我國載人航天的微生物安全控制需求，以及包括食品、醫(yī)療等地面民用領(lǐng)域的微生物污染檢測和控制等，具有廣泛的應(yīng)用價值。