2020密集的火星探测计划

□迟惑

2020密集的火星探测计划

□迟惑

2020年前后，是全球火星探测任务相对密集的一个时期。美国、欧洲、俄罗斯、中国都将独自或联合发射火星探测器。考虑到平均每两年才有一次从地球奔向火星的时间窗口，2020年前只有2018 年5月适合发射火星探测器，之后便是2020 年7月。因此，在这两个窗口内集中了6次发射、10个探测器，堪称人类有史以来探索火星最为密集的时期。

“洞察”

“洞察”是一台火星着陆探测器，它原本打算在2016年发射，但是由于法国宇航局负责研制的主要载荷——地震分析仪在2015年总装时发生了漏气事故，只能推迟到下一个时间窗口，也就是2018年5月5日。“洞察”的基本构型沿用自“凤凰”火星探测器。它没有漫游功能，只能固守一点探测周围地区。

“洞察”曾经被叫做GEMS，意思是地质物理学监视站，2012年改用现在的名字。这个型号是在2010年从28个备选项目里脱颖而出的，在2011年，“洞察”和另外两个型号一起获得了预先研究资金。到2012年8月，另外两个项目被淘汰，“洞察”进入了工程研制和发射准备阶段。

题图：“红龙”降落在火星上的想象图

火星2020的漫游车，有一个很精巧的机械臂

“洞察”项目由美国航宇局(NASA)喷气推进实验室负责管理，不包括火箭发射服务的总预算不超过4.25亿美元。

在火星内部结构地震分析仪发生漏气事故后，喷气推进实验室接管了研发工作，给它研制一个新的密封容器。法国宇航局依旧负责仪器总装和测试。

2016年3月9日，NASA正式对外宣布了这次延误造成的损失——1.5亿美元。不过NASA并没有说明，是由法国还是由美国来付这笔钱。

“洞察”的主要目标，是研究火星的早期演化史。科学家们如今认为，太阳系内行星带的岩石类行星是通过一种叫做吸积的过程形成的，致密的天体会不断吸收周边的物质，体积不断增大，内部温度逐渐升高，逐步形成硬质的行星。“洞察”的任务之一，就是对这个过程加以研究。研究火星地质，对于研究地球自身的地质历史有重要意义。因为地球和火星的尺寸相似，而火星上一直没有人类活动，保持了深入、精准的历史记录。

“红龙”

“红龙”是埃隆·马斯克的下一个狂想，它沿用了太空探索技术公司现有的“龙”飞船构型，是一种低成本火星着陆器。“红龙”拟用重型猎鹰发射，不仅承担探测任务，也是这家公司火星殖民地计划的先导。按照马斯克在2016年9月演讲时发布的消息，打算用多个“红龙”飞船结阵，成为最早的火星营地，然后逐步扩展。

太空探索技术公司和NASA埃姆斯中心在2011年联合研究，讨论是否可以把正在研制的载人型龙飞船用于火星任务，把载荷送往火星并成为载人任务的先导。当时定下的指标是提供7立方米内部空间，运送最多1吨载荷前往火星。

“红龙”的具体任务包括以下四项：搜寻生命证据，死的活的都要；评估在火星表面居住的可能性；考察火星地表水冰的形成、分布和组成；通过地表水冰的数据考察火星历史气候。

到2014年，NASA又对“红龙”方案提出了更高要求，希望它能实现某些采样返回任务。这样就必须增加火星上升飞行器、地球再入飞行器，还需要一些用来输送和采集火星岩石样品的设备，其中包括火星车。

对这两个概念，NASA都不打算出一个子儿。

到2016年4月27日，太空探索技术公司宣布，打算在2018年发射一艘私人投资的“龙”飞船前往火星。NASA打算提供一些技术，用来交换飞船在进入火星大气、下降和着陆时获得的数据，还打算投入价值3000万美元的人力和设备来监控“红龙”任务。

我们知道，载人“龙”飞船原本用于地球轨道上的天地往返，它打算用一种反推发动机来实现再入段的减速，而不是传统的降落伞。在返回地球的过程中，它需要消耗掉1900千克的推进剂。如果用于火星，这种方式可以选择一个高海拔的着陆点。太空探索技术公司的团队目前正在考虑火星极区或者某个中纬度地点。这里更容易找到浅地表埋藏的水冰。

火星地外生命探测器

这是2020年前后规模最大的一个火星探测任务，也是最为曲折的一个。

火星地外生命探测器（以下简称“火星生命”）的计划经历了几个不同的阶段。这个项目最初在2005年由欧空局提出，当时考虑欧洲和美国合作研究，是欧空局奥罗拉空间探索计划的首要任务。2007年，欧洲EADS公司和加拿大MDA公司联合中标，进行方案设计和样机研制，打算在2011年用俄罗斯联盟火箭发射。2009年，NASA正式宣布加入“火星生命”计划，并搭载发射美国研制的火星气体跟踪轨道器。这样就需要用推力更大的火箭发射，因此从“联盟”换成了美国“宇宙神”5火箭。

2009年8月，俄罗斯联邦航天局宣布加入“火星生命”计划，用福布斯-土壤计划获取的数据与“火星生命”合作，以俄罗斯“质子”火箭作为备份发射工具，俄罗斯还为“火星生命”漫游车提供一些部件。

到2009年12月，欧空局和NASA达成正式协议，“火星生命”探测计划分两个步骤实施，在2016年和2018年分别发射一次，总费用12.3亿美元。第一次发射NASA研制的MAX-C漫游车，第二次发射“火星生命”漫游车。

然而到了2011年8月，NASA因为经费困难，只能取消了MAX-C。这让整个“火星生命”计划的进度遭到重大打击。欧空局只能把计划缩小，只发射一部火星车，也就是“火星生命”。为了部分弥补MAX-C被取消造成的能力缺失，“火星生命”的尺寸扩大了一些。所使用的火箭依然由NASA提供，同时还提供用于着陆的飞行天车系统。

到了2013年，NASA再次跳票。因为奥巴马政府的预算困难和“詹姆斯·韦伯”空间望远镜的超支，NASA完全放弃了对“火星生命”计划的参与，火箭和着陆车都不再提供。

①“洞察”探测器正在安装热护罩

②“洞察”的降落伞正在实施风洞测试

③火星希望探测器的想象图

2013年3月欧空局和俄罗斯航天局正式签署协议，由俄罗斯完全取代美国此前的角色。俄罗斯提供两枚“质子”火箭和微风-M上面级，成为“火星生命”计划的发射服务提供者。同时，俄罗斯要设计新的火星再入、下降和着陆系统。作为回报，2016年发射的火星气体跟踪轨道器上要搭载两部俄罗斯研制的设备，它们最初是为福布斯-土壤研制的。所有科学成果的知识产权由欧洲和俄罗斯共同拥有。

欧空局最初为“火星生命”计划准备了10亿欧元，但是被NASA搅局之后，被迫追加了好几亿欧元。为此，波兰和罗马尼亚又提供了7000万欧元。

俄罗斯也宣布，为“火星生命”计划提供价值12卢布（4070万美元）的资金。

2014年，欧洲空客航天防务集团的英国分公司开始建造“火星生命”漫游车。估计到2018年前，整个计划还有1亿欧元的资金缺口。

2016年1月，欧空局宣布，2018年的发射计划未必能实现。其中最大的麻烦是意大利，其次是英国，两国都没能提供足够资金支持。错过2018年发射窗口后，就只能推迟到2020年7月发射了。

“质子”火箭的可靠性也是很大的问题。到2015年5月，“质子”共发射100次，但其中10次失败。这对于没有备份的科学任务来说，有点不能让人放心。2016年火星微量气体观测轨道器（TGO）发射期间，“质子”火箭也发生了惊险事件。TGO和微风上面级分离后，后者忽然发生爆炸，不过TGO毫发无伤，目前正在飞往火星途中。

“火星生命”计划的目标有5项，首先是搜寻火星上的生命痕迹，同样是死的活的都要；测绘火星浅地表下的水和其他化学物质分布；研究火星表面环境、确认未来载人任务可能面临的风险；研究火星地下和深地下情况，以了解火星的演变和宜居性；为采样返回做准备。

④马斯克打算用这个巨型燃料罐作为重型猎鹰火箭的核心部件，送“红龙”去火星

⑤空客公司向公众展示火星车样机

⑥阿联酋航天局宣布出资研制“火星希望”探测器

“火星希望”

“火星希望”是2020年时段各火星探测器中最简单的一个，它的发起者也是迄今为止最令人意外的一家：阿拉伯联合酋长国。

“火星希望”的任务规划相对简单，只是纯粹的绕飞器。它的背后依然是美国科研单位，其中包括科罗拉多大学、加利福尼亚州立大学伯克利分校、亚利桑那州立大学。阿联酋宇航局担任名义上的项目管理方。“火星希望”打算用日本H-2A火箭发射。

“火星希望”所携带的仪器比较简单，只有一台可见光成像仪、一台红外频谱仪和一台紫外线成像仪。前两者的用途都是寻找火星上可能的水冰、水蒸汽，探索大气中的灰尘，可见光成像仪还具备探测臭氧的功能。紫外线成像仪用于探测热层及氢、氧成分。

“火星2020”

接下来就要说到美国的“火星2020”计划了。这个计划和欧洲的“火星生命”有着很大的相似性，以致有人怀疑，NASA当年加入“火星生命”计划是为了搅局。

“火星2020”的核心是一部火星漫游车，主要任务是研究与生命相关的火星古代环境，研究火星地表的地质学演变过程和历史，其中包括研究火星过去的宜居性和可能的生命。

2012年12月，NASA在美国地理联合会大会上宣布了“火星2020”计划，但当时还没有命名。NASA当时展示了一部从“好奇”号发展而来的火星车，但所携带的科学仪器有所不同。到2014年，NASA正式宣布了所携带的仪器名称和功能。

这台火星车的重要功能之一，是帮助设计师们判断火星沙尘暴可能造成的危害，是否可以利用火星大气中的二氧化碳来制造氧气，为未来的载人探索服务。同时，为更加精确的着陆技术做演示验证。如果有关技术取得成功，不但能发射更大、更复杂的探测器到火星，也将有利于载人飞船降落技术的开发和成熟。

这项任务的总费用大约是21亿美元，比“火星生命”贵得多。法国、丹麦等国也在“火星2020”上搭载了仪器。主要仪器是X射线荧光分光计、探地雷达、环境动态分析仪等。

中国做什么？

在2017年的“两会”上，全国政协委员、中国科学院院士叶培健又一次就中国火星探测发表了意见。他表示,国内航空航天有关部门现正在探索火星探测器的研制工作,预计2020年将发射中国首个火星探测器，经过7个月的飞行，于2021年飞抵火星进行科学探测。他还说，在这次任务当中，将完成对火星的全球观测,这在全世界是第一次。

为什么中国也这样关心火星呢？叶培健说，在太阳系八大行星当中，火星是最近似地球的一个行星，根据现在人们对火星的认识，火星经过改造后人是可以生存的，因此在太阳系里面，最适合人类移居的星球就是火星。

火星是距离地球最近、和地球相似度最大的行星，也是人类星际移民的首要目的地。虽然现在各国还没有实际规划载人探索火星任务，但相关前期准备工作已经紧锣密鼓地展开。火星距离地球遥远，因此必须考虑长期留守的生活物资就地制造问题。这是火星探索最大的困难，一旦突破，不但可以服务于火星移民，也将成为人类真正迈向宇宙的关键性突破。所以，2020年前后的火星探索高潮，将在人类历史上留下浓墨重彩的一笔。