奔火：三国探测器同台竞技

编译 蔡立英

2020年7月，备受瞩目的火星探测迎来发射“窗口期”，中国、美国和阿联酋这三个国家的火星探测器“同台竞技”，奔向以危险著称的目的地——火星。

2020年7月有三次火箭发射，目的地均是火星。美国、中国和阿拉伯联合酋长国（阿联酋）这三个国家纷纷派遣“使节”前往红色星球，希望开启火星探测的新篇章。

每个探测任务本身就是开拓者。美国派出其第五台火星漫游车，这是美国宇航局（NASA）有史以来最强大的火星漫游车，希望能找到火星上过去生命的迹象，并采集有朝一日能返回地球的首批岩石样本。中国的目标是基于月球探测的成功经验，通过首次发射火星探测器，一次性完成“绕”“落”“巡”三大任务。阿联酋发射了一个火星轨道器——这是阿拉伯国家的第一个星际探测器，来测试其年轻但雄心勃勃的航天机构的实力。

所有这些探测任务是否会成功，还远未可知，因为火星以“失败航天器的墓地”而著称。但是，如果这些任务成功了，将彻底改写人类对火星的科学理解。中美两国的火星漫游车将前往火星此前从未被探索过的区域，而阿联酋的轨道器将跟踪研究火星大气的变化。

毅力号火星漫游车的腹部装有一架太阳能直升机

尽管新型冠状病毒大流行打乱了其他许多探测计划，其中就包括原定2020年发射的欧洲与俄罗斯合作的火星探测任务因故不得不推迟2年，但中、美、阿联酋三国火星探测任务背后的研发团队仍能千方百计克服疫情影响，保持了他们的项目进度。当这三个探测器升空时，它们为地球人提供一个仰望星空并超脱于地球上的问题的机会——无论这个机会多么短暂。

NASA的目标是火星岩石采样返回

NASA希望其火星探测器——名为“毅力”号的三米长六轮火星漫游车，将是一个更宏大的火星探测旅程的开始。如果一切都按计划进行，那么毅力号将采集并储存火星岩石样本，以待将来的探测器有朝一日将样本带回地球，可能要等到2031年，这将是有史以来首次从火星返回的样本。

这意味着毅力号打的是一个天价豪赌。NASA此前的4台火星漫游车——1997年的“旅居者”号、2004年的“勇气”号和“机遇”号，以及2012年的“好奇”号都与探索有关，任务操控者可能会花些时间驱动这些火星漫游车，使它们悄悄接近感兴趣的岩石，或者使它们穿越广阔的平原。而毅力号到达火星后的任务很明确，主要就是识别和收集代表火星地质历史的各种岩石，预计将在一个火星年（将近两个地球年）内完成这项任务。毅力号所采集的任何样品都将有助于塑造未来几十年的火星科学进程。

最重要的是，毅力号为科学家提供了了解这颗红色星球上是否曾存在生命的最佳机会。如果它收集到了合适的岩石，那么地球上实验室中的科学家也许可以从返回的样本中提炼出火星生命的特征。

华盛顿州塞奎姆美国西北太平洋国家实验室（PNNL）的天体生物学家雪莉•卡迪（Sherry Cady）指出：“毅力号首次为我们提供了在一个全新层次上探究火星上是否存在生命这样一个基本问题的机会。”

毅力号将通过一系列科学仪器对火星表面和大气进行采样和探测。这是一台很眼熟的火星漫游车——基本上是过去八年来一直在探测盖尔陨石坑的好奇号火星漫游车的复制品。NASA的目标是通过使用相同的设计来节省成本，并稍作调整，例如增加一个样本存储系统，对车轮进行升级。尽管NASA的目的是削减成本，但由于某些仪器研制困难，探测器的总体造价已升至27亿美元，超出预算近3.6亿美元。

毅力号携带了高级版的某些好奇号传感器，包括一个用激光爆破岩石以识别其原子和分子构成的化学分析仪，以及一个可以放大感兴趣区域以产生立体声和3D图片的高分辨摄像系统。毅力号还有一项独门秘技可以炫耀，那就是将进行一项实验，试图从火星富含二氧化碳的大气中产生氧气，以此来测试为未来踏足火星的人类探索者提供氧气支持的方式。毅力号装载有X射线和紫外光谱仪，可用于详细的矿物学分析。更新奇的是，还有能收听火星声音的麦克风，以及一架安装在火星车腹部的太阳能直升机。

而毅力号的采样系统，则是工程师从头开始全新设计的。毅力号的腹部装有43根样品管。当它遇到科学家要采样的岩石任务时，火星车将伸出其2.1米长的机械臂，钻出一个大约笔形电筒大小的样本：长60毫米，直径13毫米，然后装入样品管并密封。最终，一旦毅力号采集了20个样品管的样本，将存放在火星表面的“缓存站点”，直到将来某个新的探测器到达火星取回样本。NASA目前计划与欧空局（ESA）合作，于2026年发射一个探测器，于2031年将火星岩石样本返回地球。

毅力号将着陆在火星赤道以北的耶泽洛陨石坑，该陨石坑口径45千米，过去曾是湖泊和河流三角洲的所在地。美国德克萨斯州休斯敦月球与行星研究所的行星科学家肯达•林奇（Kennda Lynch）指出，这个古老的三角洲提供了丰富多样的地质景观——毅力号可以收集许多可能包含过去生命迹象的样本。负责建造毅力号的喷气推进实验室（JPL，位于加利福尼亚州帕萨迪纳）的工程师已经绘制出了火星车在三角洲周围探测的多条路线，覆盖了方圆15千米的范围。卡迪认为，如果毅力号首先在该区域巡视，勘察地形，然后再返回来采集样本，将是最佳做法。

毅力号将探测一个古老的三角洲，那里曾经有水流过火星表面

毅力号于7月30日从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射，并将于2021年2月18日登陆火星。

中国首个火星探测计划

中国制定了雄心勃勃的首次火星探测计划。搭载了13种科学载荷的轨道器、着陆器和巡视器于7月23日从中国海南岛发射升空。这项火星探测任务名为天问一号，意味着“求索宇宙的真理”，将是中国对太空的最深入探索。到2021年2月，该探测器将抵达火星，目标是对火星的大气、内部结构和地表环境进行全面勘察，包括寻找水的存在和生命迹象。

中国此前的尝试是在2011年搭乘俄罗斯火星探测器，向火星发射一枚轨道器“萤火一号”，但因俄罗斯火星探测器未能按计划变轨，以探测器的失踪而告终。但是在这次失败之后，中国在太空领域取得了一系列胜利。2013年，中国成为第三个在月球上着陆航天器的国家。2019年，中国的嫦娥四号探测器成功着陆月球背面，成为世界上第一个实现此壮举的国家。2020年5月，中国新一代载人飞船试验船由长征五号B运载火箭发射升空并成功返回，新一代载人飞船将把宇航员送往预计于2022年建成的中国空间站。

但是，中国空间技术研究院的研究人员在2017年的一篇论文中表示，火星探测项目与中国此前的太空探测任务属于不同类型。前往火星的路程比前往月球的路程长1 000倍，火星表面引力是月球的2倍，火星有大气层，火星表面散布着密集的岩石，使得火星探测任务风险更大。

此前，中国政府并没有过多透露这项任务的内容，大部分公开信息来自发表的文章和官方媒体报道，省略了项目预算、确切发射日期以及探测器在火星上的着陆点等关键细节。但是，空间物理学家、中国科学院国家空间科学中心（NSSC）主任王赤在一封电子邮件中表示，该任务正按计划推进。他表示：“我们的团队目前正在海南文昌发射中心工作，一切进展顺利。”在中国国家航天局（CNSA）的领导下，王赤负责此次任务的科学有效载荷。

如果一切都按计划进行，天问一号将是第一个成功地综合使用轨道器、着陆器和巡视器研究火星的探测器。一旦这个组合探测器飞抵火星，六角形的轨道器将把着陆器和受球形锥壳保护的巡视器释放到火星大气中。2019年9月，在瑞士日内瓦举行的欧洲行星科学大会上，中国科学院国家天文台一位科学家在报告中透露，中国研发团队在火星赤道以北的乌托邦平原上发现了两个候选的着陆区。

探测器将打开降落伞，然后悬停在空中，最后依靠圆形着陆器的四条着陆腿平稳着陆。这台重约200千克的火星车（即巡视器）将展开其太阳能电池板，沿着梯子驶下，然后在其大约90个火星日（一个火星日是24小时37分钟）的寿命内自主探索周围环境。在火星车执行巡视任务期间，轨道器将为火星车提供中继通信链路，之后轨道器将进入距离火星更近的轨道，对火星开展为期一个火星年的环绕科学探测。

中国研发团队分别为轨道器和巡视器配置了8台和5台科学载荷。轨道器上的地下雷达可以探测地下100米深，从而绘制地质结构图并寻找水和冰。中分辨率相机和高分辨率相机将收集沙丘、冰川和火山等形貌特征图像，提供地貌形成线索。轨道器和巡视器都将携带光谱仪，研究土壤和岩石的成分，尤其是寻找水改变地质特征的证据。中国研发团队还计划收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据，并研究火星的磁场和重力场。

美国华盛顿大学圣路易斯分校（位于密苏里州）的行星地质学家雷蒙德•阿维森（Raymond Arvidson）指出，以前的火星探测任务中也曾搭载过类似的仪器。但是火星很大，地质历史也很复杂，因此，天问一号产生的数据可以使研究人员了解现有观测仪器未覆盖到的地方。“如果中国的仪器能够正常工作，产生数据并以类似于我们的方式共享，那么付出的一切努力都是值得的。”阿维森表示，他所说的数据共享方式是指由他所在的大学和NASA管理的一个免费的公共档案库，收集了以前的很多行星探测任务的地质科学数据。

2003年发射的ESA“火星快车”轨道器项目科学家德米特里•蒂托夫（Dmitrij Titov）表示，中国天问一号轨道器的寿命可能比一些服役期将满的“老兵”更长，包括ESA的火星快车，NASA的火星侦察轨道器和MAVEN大气专家轨道器。蒂托夫认为，有朝一日当许多其他航天机构都忙于实施样品返回任务的时候，对火星的持续监测将使整个科学共同体受益。实际上，中国自有安排，计划在2030年从火星收集并返回样品。

阿联酋的星际探测希望

阿联酋梦想远大，决定发射其首颗飞出地球轨道、奔向火星的探测器，因此，将这颗火星轨道器命名为“希望”号。该轨道器于7月20日在日本鹿儿岛县种子岛太空中心发射升空。

如果成功，阿联酋火星任务（EMM）不仅标志着阿拉伯国家第一个行星际冒险的成功，而且还将制作出火星的第一张全球气象图。尽管以前的探测器建立了从轨道上观测火星大气的图像，能够在一天的有限时间段内监测火星的一小部分区域，而希望号环绕火星巨大的椭圆形轨道探测，将能够在白天和夜晚对火星的大片区域进行观测。希望号每环绕火星一圈用时55小时，观测范围几乎能覆盖火星全球。希望号科学负责人、阿联酋高级科学国务部长莎拉•阿米里（Sarah Al Amiri）表示：“我们的希望号对火星的观测将能够覆盖火星全球，做到全天候，时间跨度达到整个火星年。”该探测器的可见光相机和红外光谱仪将研究低层大气中的火星云和沙尘暴，紫外光谱仪将监测高层大气中的气体。EMM科学团队成员侯赛•马特鲁什（Hessa Al Matroushi）指出：“这将是第一个制作出火星全球动态气象图的火星探测器。”

在执行为期两年的任务期间，希望号将跟踪天气的日变化和季节变化。它不仅有助于为未来的人类飞行任务做准备，还将揭示大气条件如何导致氢和氧逃逸到太空中。这可以帮助科学家了解火星的气候以及它如何失去曾经厚厚的大气层。阿米里表示，希望号科学团队与国际合作者共同提出了其科学目标，而且数据将不设禁期地提供给国际社会。NASA喷气推进实验室火星项目办公室首席科学家理查德•祖雷克（Richard Zurek）认为：“阿联酋人不仅非常热切地希望通过此次火星探测任务展示其国家的技术实力，而且还希望在人类对火星的科学理解上做出自己的贡献。”

发射一颗行星际探测器对阿联酋而言是一个重大的飞跃，为此，阿联酋聘请了曾参与NASA以往任务的经验丰富的工程师，主要来自美国科罗拉多大学博尔德分校。这种合作的目标很明确，就是将NASA的相关技术传授给穆罕默德•拉希德航天中心的团队，NASA的工程师与阿联酋的团队一起完成希望号任务的每个环节。阿联酋高等教育国务部长、阿联酋航天局主席艾哈迈德•贝卢尔（Ahmad Belhoul）坦言：“现实是，我们阿联酋是一个年轻的国家，如果没有合作伙伴和国际合作，我们做不成任何事情。”

通常，对于一个行星际探测项目，任务的想法不是来自科学家，而是来自政府本身——而且希望号任务的完成时限2021年12月2日是不可协商的，因为这是阿联酋建国50周年纪念日。EMM的项目主管伊姆兰•沙拉夫（Omran Sharaf）指出，选择这样一项大胆的任务不仅是为了激励阿联酋的年轻人，更是为了促使阿联酋向知识经济迈进。

希望号任务已经产生了影响，阿联酋各大学开设了5门新的本科生科学课程，阿联酋儿童对太空的热情也不断高涨。

阿米里认为，从很多方面来说，即使希望号在发射台上爆炸，这次任务也将是成功的。不过，她很快就重新考虑了刚才的这个假设：“只要想到任务失败的可能性，我的心脏就漏跳了一拍。”

资料来源 Nature