火星空间探测的历程（二）

□ 张 莹

火星空间探测的历程（二）

□ 张 莹

在火星表面漫游的“火星科学实验室——好奇号漫游车”，美术概念图，Credit：NASA/JPL-Caltech

美国的火星勘测轨道飞行器

21世纪的头十年称得上是人类探测火星的大好时期，不仅发射的探测器数目多，而且成功率非常高。在这十年中，世界上共发射六个火星探测器，除欧洲“火星快车”的着陆器过早地失去联系外，其他探测器都取得了成功。2005年8月12日，美国国家航空航天局成功发射了“火星勘测轨道器（Mars Reconnaissance Orbiter）”，2006年3月10日它进入火星轨道，经过轨道调整，2006年11月开始火星探测。

火星勘测轨道器是一个多用途的火星探测器。一方面，它装备了多个科学仪器，勘测火星的地形、地层、矿物和冰物质，研究火星的气候规律、天气现象和大气状况等；另一方面，通过上述勘测它为未来的火星着陆探测器选择登陆地点；同时，火星勘测轨道器是一个通讯联系的中转站，担当地球上的科学家和火星表面探测器之间通讯的桥梁。最初，它的预期工作期限是2006年11月至2008年11月两年的时间，该探测器表现非常出色，到目前仍然处于工作状态。

火星勘测轨道器携带了包括高分辨相机在内的三个相机、一个光谱仪、一个气候测探器和一个雷达等探测设备，其中高分辨相机的口径为0.5米，在火星表面300千米的高空，它可以分辨大小0.3米的物体，它是当时深空探测器中分辨率最好的相机。火星勘测轨道器不负众望，取得了不少新的探测成果。火星勘测轨道器测量得出，火星北极冠中水冰的含量约为82.1万立方千米，相当于地球上格陵兰岛覆冰的30%；它还在多个环形山和一个峭壁附近发现了水冰的存在；根据火星勘测轨道器的观测数据，天文学家发现，火星表面存在多种与水相关的化合物，如氯化物和层状硅酸盐等；另外，火星勘测轨道器还观测到火星北极冠中的几次冰山雪崩现象。

在围绕火星的轨道上飞行的火星勘测轨道器（Mars Reconnaissance Orbiter），美术概念图，Credit：NASA/JPL/Corby Waste ；左下角插图，火星勘测轨道器在火星撞击坑中发现水冰。

凤凰号火星着陆器，美术概念图，Credit：NASA/ JPL-Caltech/UA/Lockheed Martin

第一个在火星极区附近登陆的探测器——凤凰号

凤凰号火星着陆器（Phoenix Mars Lander）是由多家机构合作的火星探测项目，该项目由美国亚利桑那大学的月球和行星实验室牵头，在美国国家航空航天局喷气推进实验室的指导下进行，包括美国、加拿大、瑞士、丹麦、德国、芬兰的多个大学和研究机构参加。凤凰号火星着陆器于2007年8月4日发射，2008年5月25日降落在火星表面。它是第一个在火星极区附近着陆并进行科学实验的探测器，它的着陆地点处在极冠冰区与土壤相接的地带。凤凰号火星着陆器是固定在一个地点进行考察的探测器，它并不进行四处漫游活动。

凤凰号火星着陆器有两项科研目标，其一是研究火星上水的变化历史，这也是火星上气候变化的关键因素；其二是评估火星北极冠冰区与中低纬度土壤覆盖区之间的结合地带的微生物生存环境，以及这里从前的环境状况。为此，凤凰号火星着陆器配备了多个科学探测仪器，包括可以获取地表及地下物质的机械臂及其上的相机、表面立体相机、气体分析器、两个其他用途的分析探测器和气象观测台，等等。

凤凰号火星着陆器预期的探测期限是90个火星日（比92个地球日略长），到2008年8月，它基本上完成了预定的科学任务，随后继续进行了一些探测工作，2008年11月10日，天文学家宣布凤凰号火星着陆器探测工作结束。经过5个多月的科学考察，凤凰号火星着陆器获得了多项新的发现。首先，在被称为“Green Valley（N68.35，E233）”的着陆地附近相机所能观测的区域内，地面上岩石体的体积都很小，地面本身非常平坦且呈现为直径2～3米的多边形图案，多边形之间被0.2～0.5米深的沟槽分割，地面之下几英尺的深度有冰，这里没有其他探测器着陆地所呈现的波纹型地形和小土丘；其次，在天气方面，凤凰号观测到从高空卷云飘落下来的雪花，分析表明雪花是水冰晶构成的，并不是二氧化碳构成的干冰雪花，这里的风速为11～58千米/小时，最高气温-19.6℃，最低气温-97.7℃。此外，天文学家根据探测器传回地球的数据，进一步确证了凤凰号登陆地区存在水冰，而且天文学家认为，不久之前，这里的气候应该更加温暖和潮湿；天文学家进行化学分析的结果表明，这里的土壤物质中含有氯化物、碳酸氢盐、镁、钠、钾、钙、硫酸盐和高氯酸盐等物质，地表物质的PH酸碱度为7.7±0.5。

为载人火星探测铺路的“好奇号”火星漫游车

经过四十多年的火星探测实践，人类探测火星的技术不断提高。探测方式由飞掠探测发展到环绕探测，再发展到登陆探测，探测方式逐渐进展；探测器装备的仪器也越来越多、越来越高级；探测任务越来越全面，从简单的地表地形照相到地质化学测验，从寻找水到火星大气探测，从火星磁场到火星气候变化。21世纪开始后的第二个十年，科学家们已经着手为未来的人类登陆火星做准备，美国国家航空航天局的火星科学实验室（Mars Science Laboratory ，MSL）即“好奇号（Curiosity）”火星漫游车就是具有这种用途的一个火星探测器。通过研究着陆地区的水作用、气候状况和地质情况，该探测器用来确定火星的可居住性，为此，它将开展一系列有关生物、地质、地质化学、行星过程和表面辐射状况等多项科学实验。

2013年5月19日，“好奇号”火星漫游车在火星表面挖出一个圆洞，“好奇号”火星漫游车通过它所携带的仪器检测所挖出的灰色渣土的化学成分。Credit：NASA/JPLCaltech/MSSS

2012年10月31日，火星科学实验室——“好奇号”火星漫游车位于盖尔撞击坑（Gale Crater）。Credit: NASA/JPLCaltech/Malin Space Science Systems

火星科学实验室即“好奇号”火星漫游车于2011年11月26日发射，2012年8月6日在火星上的盖尔环形山（Gale Crater）地区登陆。“好奇号”火星漫游车的预期探测寿命为一个火星年即668个火星日（折合687天），实际上，它目前仍在正常工作，到2016年6月1日，它已工作了1358个火星日（1395天）。“好奇号”火星漫游车携带了多个高级科学仪器，包括多个相机、遥感仪器、环境监测仪器、阿尔法粒子X射线谱仪、样品分析仪器和辐射测量仪器，等等。

经过长期不凡的科学探测，“好奇号”火星漫游车带来了不同寻常的成果，使人们对火星有了崭新的认识。例如，在被称为“Yellowknife bay（黄刀海湾）”的地方，通过钻孔泥石，发现其中含有硫、氮、氧、磷和碳元素，由于这些元素是组成生命的基本元素，因此，科学家认为火星的化学条件对生命现象非常有利。另外，它在火星岩石中发现了有机碳；在火星大气中发现了甲烷和甲烷活动；它还发现火星表面的辐射会严重危害人类健康，以及从前火星具有更厚的大气和更多水，等等。我们期待“好奇号”火星漫游车今后给人类带来更多的惊奇。

火星大气和挥发物演化探测器

火星大气和挥发物演化探测器（Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN Mission，MAVEN）是美国国家航空航天局的一个火星探测项目，它专门用于探测火星大气和水等挥发物的变化历史。它在围绕火星运转的轨道上进行探测，它的轨道距离火星表面最近150千米，最远6200千米。该探测器于2013年11月18日发射，2014年9月22日进入围绕火星运转的探测轨道。

长期以来，在火星表面发现有河床样子的地况，也发现了只有水的存在才可生成的矿物质，因此，天文学家推测，从前的火星上一定有大量流动的水，也应该有保持火星温暖的浓厚大气。那么，是什么原因使得火星变为如今干燥荒芜且大气稀薄的样子了呢？MAVEN就是肩负着这样探测使命的一个探测器。为了实现探测目标，MAVEN携带了多个探测仪器，例如，太阳风电子分析仪、太阳风离子分析仪、太阳高能粒子记录仪、磁强计、紫外成像光谱仪、中性气体同位素和离子成分测量仪，等等。

经过大约一年的探测，MAVEN获得了宝贵的数据，天文学家据此得出结论，在太阳风暴爆发期间，火星大气分子被吹向行星际空间，造成严重的气体分子丢失。如今，MAVEN仍然围绕火星运转。

火星大气和挥发物演化探测器（Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN Mission，MAVEN），美术概念图，Credit：NASA

印度的第一个火星探测器

2013年11月5日，印度成功发射了“火星轨道探测器”（Mars Orbiter Mission，MOM），它在印度语中被称为“曼加里安”（Mangalyaan），是火星飞船的意思。2014年9月24日，它进入绕火星运转的轨道，其预期的寿命为6～10个月。该项目的主要目标首先是展示印度的火箭发射系统、宇宙飞船的制造与运行能力；其次，它还探测火星的表面特征，研究火星的形态和矿物特性，探索火星大气的性质。2014年9月28日，该探测器发布了它的首张火星全球图片。印度的“火星轨道探测器”现在已超出了它的预期寿命，仍在进行科学探测。

2013年11月5日，印度发射的“火星轨道探测器”（Mars Orbiter Mission，MOM），美术概念图，Credit：Nesnad

“火星生命探测计划（ExoMars2016）”的“微量气体轨道器（Trace Gas Orbiter，TGO）”和“斯基阿帕雷利”登陆演示器，美术概念图，Copyright: ESA/ATG medialab

正在赴火星途中的微量气体轨道器

“微量气体轨道器（Trace Gas Orbiter，TGO）”的全称为“火星生命微量气体轨道器（ExoMars Trace Gas Orbiter）”，它是由欧洲空间局与俄罗斯联邦空间局合作的火星探测项目。它是欧洲空间局主导的“火星生命探测计划（Exobiology on Mars，ExoMars）”的第一个步骤，根据该火星探测计划，预计2020年将发射一个火星漫游车。

“微量气体轨道器”于2016年3月 14日成功发射，此次发射包括微量气体轨道器本身和一个被称为“斯基阿帕雷利”的登陆演示器，后者为未来的火星登陆器提供技术准备。“微量气体轨道器”的任务包括两个方面：其一，在围绕火星的轨道上探测火星大气中甲烷和其他微量气体的特性，作为分析火星上生命活动和地质活动的根据；其二，它还作为未来火星表面漫游车与地球通讯的中转站。

目前，微量气体轨道器正在飞往火星的途中，预计2016年10月到达火星，2017年晚些时候开始探测工作。2016年6月13日，当它距火星的直线距离为4100万千米时，安装在TGO上的相机（Color and Stereo Surface Imaging System，CaSSIS）拍摄了火星的第一张照片，并将其传回了地球，当然这只是探测器到达火星之前的准备活动。

那些失败的火星探测项目

如今，人类空间探测的技术已经达到相当高的水平，发射到火星的空间探测器已经为数不少，美国、俄罗斯、欧洲空间局和印度在火星探测方面处于领先地位，这些空间探测极大地促进了人类对火星的认识。然而，在辉煌的成绩后面，人类探测火星的历程中也有不少的失败，可以说，它们是火星探测道路上不可缺少的环节。特别是，从1960年开始1969年，苏联陆续发射了4个Korabl系列探测器、3个Mars系列探测器和一个Zond-2探测器，这些火星探测器都以失败告终。1964年，美国的Mariner3探测器也以失利告终，但是同年随后发射的Mariner4就取得了成功。20世纪70～80年代，由于技术方面的原因，美国和苏联分别有1次和6次发射失败。20世纪的最后十年，日本加入到火星空间探测的行列中，不幸的是，1998年它的首个火星探测器Nozomi也没有成功，同一时期美国和俄罗斯则分别遭受4次和1次失利。进入21世纪，中国也成了一个空间探测强国，加入到火星空间探测的队伍中，然而，2011年与俄罗斯合作的Phobos-Grunt/Yinghuo-1火星探测器以失利告终。

规划中的火星探测项目

如今，随着经济和科学技术的发展，火星探测的队伍还在不断壮大，许多国家纷纷制定未来的火星探测规划，火星探测呈现出蓬勃发展的局面。美国国家航空航天局计划将于2018年5月发射名称为“InSight（Interior Explorationusing Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport ）”的火星登陆探测器，用来研究包括火星在内的类地行星的形成和演化，按规划它将于2018年11月到达火星表面。美国国家航空航天局还规划2020年发射火星着陆探测项目，主要目的是探测火星生命并为未来人类登陆火星做准备。欧洲空间局主导的火星生命探测计划的第二步是发射一个火星登陆探测器，目前该计划发射的时间由原来的2018年推迟到2020年。印度也正在计划发展被称为“曼加里安-2”（Mangalyaan-2）的火星探测项目，它包括着陆器和漫游车，预计2018年～2020年发射。西亚的石油大国沙特阿拉伯也雄心勃勃准备研制自己的火星探测器。2016年初，我国再次宣布新的火星探测项目，预计2020年左右发射一颗新的环绕火星的探测卫星。

（责任编辑 张长喜）

美国将于2018年5月发射的“InSight”火星登陆探测器，美术概念图，Credit：NASA/JPL-Caltech