火星探测的科学战略转变——从追踪水的痕迹到搜寻生命信号

□ 中国科学院探月工程总体部

毫无疑问，火星探测是当前国际深空探测的热点和重点，而探测火星的科学目标是牵引工程实施的重要输入。近十年来，国际火星探测取得了巨大成就。2011年1月13日，美国NASA召开新闻发布会，宣布美国火星探测的最高科学目标转变为“搜寻生命信号”，这就意味着未来十年火星探测的科学中心将转变为开展与火星生命信号搜寻相关的各类探测活动。

从以大型任务为主到实施“快、好、省”探测战略

美国在1993年发射了“火星观测者”号，它是一个综合性的轨道探测器，总预算高达8．13亿美元。由于“火星观测者”号任务遭遇失败，NASA重新审视和调整了以大型任务为主的原有火星探测战略，于1994年启动新一轮火星探测计划—MEP。MEP是NASA制定的长期火星探测计划，包括火星探路者和火星勘查计划。1996年4月，喷气推进实验室(JPL)成立火星探测部，此后的美国火星探测任务基本是由JPL主导。

“火星观测者”号任务失败后，美国在火星探测任务中贯彻和推行“快、好、省”的战略(Faster，Better and Cheaper，FBC)。这项战略的主要宗旨是要在火星探测中选择小型化、低成本、科学目标更明确的探测器，而不是高成本、多科学任务、系统复杂的大型探测器。“火星观测者”号未能实现的科学目标也被分解成一系列小型探测任务，所研制的8台科学仪器也转向应用于后续探测任务。

在实施“快、好、省“战略之前，火星探测的成本高昂、系统复杂，NASA每十年才能发射一个探测器。在推行“快、好、省”战略后，尽管NASA预算仍然有限，但自1996年以来的每个火星发射窗口(约26个月)，都至少发射一个或多个火星探测器(包括轨道器、着陆器和火星车)。因此，实施“快、好、省”战略可以有效减少火星探测的成本，降低探测任务失败的风险．使探测火星的长期规划不至于因为一次失败造成灾难性后果。

1996年至今，NASA已发射4颗轨道器、3个着陆器和3辆火星车。除火星气候轨道器和火星极地着陆器遭遇失败外，其它都获得了成功，特别地，勇气号和机遇号火星车从设计寿命3个月到实现超期服役近七年，火星奥德赛号在轨运行近十年，成为迄今最长寿的火星探测器。此外，“凤凰”号作为第一次小型火星探测任务，同样获得大量科学数据和丰富科学成果。

因此，NASA的实践证明，“快、好、省”战略是成功和有效的。

从注重全球遥感到开展火星表面就位和巡视探测的转变

火星探测的方式包括飞越探测、环绕探测、着陆探测、巡视探测等四种类型。

美国上世纪60年代的火星探测以飞越探测为主，共开展4次飞越探测。

这说明，1996年以来美国新“一轮的火星探测任务已经从注重全球遥感到开展就位探测和巡视探测的转变，成为目前火星探测的主要方式，更是未来火星探测的重要方向。这种转变也反映出美国火星探测的科学目标从原来对火星地质、气候等全球特征，转移到对火星的水和生命等重大科学问题。

从单项任务的科学探测到火星系统科学的转变

早期火星探测中最为出色的主要成果是海盗1号和海盗2号获得的。1996年以来，火星探测任务的成功率明显提高，涵盖获取地质、大气、磁场等科学任务，但每次任务的科学目标都有不同的侧重点。如火星全球勘探者号主要开展火星地形地貌的科学探测，高分辨相机和激光高度计成为其最重要的主载荷；同样是轨道器的奥德赛号的科学目标则聚焦于火星气候演化和火星上水的探测。

随着1996年以来众多火星探测任务积累的科学数据大大增加，以及在此基础上获得的大量科学成果和新发现，使得对火星的认识提高到一个新水平。通过这些探测数据的深入分析，科学界逐渐认识到，火星作为一个行星系统，本身发生着复杂而多样的变化。为了形成对火星的全面认识，必须深刻理解火星系统的基本组成部分，各部分之间的相互作用和相互联系，以及这些相互作用在不同地质历史时期的变化等关键科学问题。因此，未来十年的火星探测任务将从单项任务的科学探测逐渐转变为对火星系统科学的研究。

从“追踪水的痕迹”到“搜寻生命信号”的战略转变

1. 追踪水的痕迹获得巨大成功。火星探测计划分析小组是NASA总部任命的科学家委员会，旨在思考未来十年美国火星探测的投入，规划火星探测任务，并确定不同科学目标优先程度。小组在2001年、2004年、2005年、2006年、2009年和2010年都发布过题为《火星探测的科学目标、探测任务、应用研究及其优先性分析》的研究报告，作为NASA制定火星探测任务科学目标的重要参考和依据。

在2001年的报告中提出，NASA火星探测的四大科学方向为火星生命、火星地质、火星气候、为载人登火星等探测做准备。

“水”是四大方向中最高级别的科学目标和应用研究的焦点。此后，“追踪水的痕迹”成为NASA火星探测的最高战略目标，其它科学目标都服从和服务于这一目标。

2.搜寻生命信号成为未来火星探测的最高战略目标。《科学》杂志在1996年发表9位科学家共同完成的题为《寻找火星上的古老牛命：火星陨石ALI184001残存有可能的生命活动痕迹》的论文。科学家发现ALH84001新鲜的断裂面上含有大量的碳酸盐小球体和多环芳香碳氢化合物(PHA)，并在扫描电子显微镜下观察到长约50nm的卵状物。这些可能的火星生命证据在科学界和大众媒体都引起强烈反响，激发了美国进一步开展火星探测的热情，甚至提出在2008年采回火星岩石和土壤样品的探测计划。

2007年5月，美国国家研究委员会发布《火星探测的天体生物学战略》研究报告，指出火星探测的科学目标应进一步延伸，提出“寻找碳”和寻找其他生命相关元素的科学方向。NRC准报告中认为未来火星探测廊以火星生命探测为重点，在科学目标和实施战略上分为三步走：

一是探测火星环境，包括火星上过去存在水的证据、火星大气中存在甲烷的证据。二是探测火星上微生物生存和繁衍的可能性。三是寻找火星上的生命。

最新的一个重要信号是，2011年1月13曰，NASA在美国国家航空航天博物馆召开新闻发布会。NASA火星探索计划的总指挥Doug McCuistion宣布，美国的火星探测从“追踪水的痕迹”正式转变为“搜寻生命信号”。这意味着未来十年美国火星探测的科学重心将转变为开展与火星生命信号搜寻相关的各类探测活动。

NASA火星探测四大科学方向