美國的火星計劃，到底想怎樣？

作為人類最先進的火星探測科學研究計劃，NASA的「火星2020」任務將開啟一個全新的時代，新的火星車將攜帶地球上全新的、最尖端的7種武器探測火星的環境、氣候、地質以及生物學的潛在價值，為2030年前將人類送上火星鋪平道路。在浩瀚的宇宙中，人類最終會擁有地外的第二生存空間嗎？

今年12月８日，美國航空航天局（NASA）表示，「好奇」號火星車已成功破解火星夏普山的形成之謎。這是繼「好奇號」 取得發現火星湖泊遺迹、顯示火星大氣以二氧化碳為主等科學探測成果之後的又一重要成果。

2012年8月，「好奇號」成功降落在火星表面，開啟其火星探測之旅。兩年多時間裡，「好奇號」不斷傳來科學探測「捷報」，人類在火星知識得以不斷豐富的同時，也在密切關注美國進一步的火星探測計劃。

其實，早在2011年NASA公布的《美國2013～2020行星探測十年規劃》中，就提出了未來十年火星探測的「新任務」——火星採樣返回。今年7月31日，NASA在「好奇號」火星探測器成功著陸以及科學探測上不斷獲得新進展的基礎上，又依據該10年規劃，公布了新一代火星探測器——「火星2020」搭載的科學有效載荷。

「火星2020」正是火星採樣返回任務的開路先鋒，它是否將開啟人類火星探測的新模式，人類未來載人登陸火星是否因此初現曙光，人們無不期待謎底的揭曉。

未來10年鎖定採樣返回

「火星2020」是NASA火星探索計劃的一部分，這一計劃也包括了正在火星表面工作的「機遇號」和「好奇號」火星車，火星軌道上運行的「奧德賽號」、「火星勘測軌道器」，以及今年9月下旬剛剛抵達火星的「火星大氣及揮發物演化探測器」。

NASA表示，與以往的火星探測任務不同，「火星2020」任務中新一代火星車將搭載的7台科學載荷，對火星進行原位探測，開展地質評估、分析火星遠古生命的跡象及其環境潛在的宜居性。與此同時，它還將收集岩石樣品，並將樣品用密封罐儲存起來，放置於火星表面，以便被未來任務的航天器帶回地球。

《美國2013～2020行星探測十年規劃》指出，未來10年的重點將是火星採樣返回任務，首先是巡視任務並收集和儲存樣品，然後提取樣品並返回地球。火星科學界普遍接受的觀點是，使用先進的分析技術來深入分析返回的火星樣品，以高的回報率獲得有關火星系統的科學成果。

圖1 美國火星採樣返回三步走示意圖

任務大致分3步來完成（圖1）。第一步由「火星2020」來完成，將發射一個火星車來收集和儲藏樣品，並放置於火星表面；第二步由未來發射的第二個火星探測器來完成，主要是提取第一個火星車放置於火星表面的樣品，並將樣品送入火星軌道；第三步將發射一個火星探測器用來「抓取」位於火星軌道上的樣品，並將樣品帶回地球。預計每次任務的間隔時間為4年。

「火星2020」將利用現有「好奇號」平台進行升級改進，打造全新的火星車（圖2）。採用「火星科學實驗室（Mars Science Laboratory）」中「好奇號」火星車已獲得實踐檢驗的著陸系統和火星車經典架構，以確保將任務的成本和風險降到最低；在著陸前的最後幾秒鐘，將使用「太空起重機」實現成功著陸。

「火星2020」探測任務將耗資19億美元，預計2020年7～9月擇機發射，工作壽命約為一個火星年（687個地球日），7台更加輕量化的科學載荷研發成本約為1.3億美元，總重量為40千克。

圖2 「火星2020」火星車的結構示意圖

尋找生命、採集樣本

「火星2020」將繼續以探尋火星表面過去乃至現在可能存在的生命信息，獲取風化層、土壤、岩石、淺層結構等綜合性的火星地質特性信息，並開展原位探測和岩石/土壤樣本採集返回。

據此，「火星2020」計劃確定了兩大主任務：一是探測火星表面環境中潛在的宜居性和曾經可能存在的生命痕迹；二是收集和存儲火星的岩石和土壤樣本，並對其物理與化學等背景信息進行原位探測。

「火星2020」計劃提供了一個獨特的視角，可以「窺探」太陽系中可能的宜居性。科學家也試圖在火星上進行一系列技術驗證，更加深入地了解火星塵埃和天氣對人類未來登陸火星可能造成的影響，以尋找能夠避免火星有害塵埃的方法；同時，也將研究能否利用火星上的資源製造出氧氣和火箭燃料，為未來人類登陸火星創造條件。如果真的能夠實現在火星上實時製造氧氣，這將加快人類登陸火星的步伐。

「火星2020」的任務規劃是建立在其它火星任務取得的成就基礎上而設計的一次任務。「機遇號」和「勇氣號」以及其它的火星探測器已經發現的證據顯示，火星曾經存在水，而「好奇號」的進一步探測又獲取了火星過去的環境能夠支持微生物存在的一些證據。「火星2020」將在「好奇號」最新成果的基礎上，開展難度更大的、新的探索任務，進一步探索其宜居環境以及尋找過去生命存在的信息。

按照計劃，「火星2020」的後續任務將把岩心和土壤樣品帶回地球，繼而展開實驗室工作。通過樣品分析，才可以獲取火星是否曾在過生命等重大科學問題的更加精準而明確的答案。

火星「實驗室」的7種武器

「火星 2020」將搭載目前世界上最為先進的從58份載荷方案中遴選出來的7台（套）探測儀器，如同組建了一個全新的火星「實驗室」，以獲取火星地質、大氣、環境和潛在的生命等信息。

圖3 「火星2020」火星車上搭載的有效載荷

第一台探測儀器是桅杆相機-Z（MastCam-Z）。它是「火星2020」火星車上主要的成像工具（圖4、圖5），安裝在火星車上方的桅杆上，擁有全景和立體成像功能，這是首次在火星車上使用具有變焦縮放功能的彩色立體相機，其主要科學探測任務包括：研究火星表面的地貌、岩石和土壤；觀測火星表面上發生的天氣現象；為巡視器導航和採樣提供支持。

相比之前「好奇號」的桅杆相機，桅杆相機-Z具有新的功能特性——攜帶變焦鏡頭（圖6），能夠攝製三維影片。更重要的是，可變焦的相機能使火星車看得更遠並且可提前發現可能存在的危險情況，從而幫助分析火星表面的物質和規劃火星車的行駛路線。

圖4 「火星2020」搭載的桅杆相機-Z的CAD設計圖

圖5 桅杆相機-Z的橫截面

圖6 桅杆相機-Z的變焦設計

第二台探測儀器是超級相機（SuperCam）。它具有成像、化學組成分析和礦物學分析等功能，特別是還能遠距離（20多英尺外）檢測岩石和風化層是否存在有機物，以及利用激光的衝擊波清除岩石表面的灰塵（圖7）。其新增的激光拉曼和時間分辨熒光光譜，具有彩色的高解析度的可見光成像能力，光譜範圍覆蓋了可見光和紅外光。

圖7 「火星2020」搭載的超級相機工作示意圖

第三台探測儀器是X射線岩石化學行星儀（PIXL，Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry）。它安裝在火星車的機械臂的末端，方便探測周圍的岩石或土壤。PIXL由X射線熒光光譜儀和高解析度成像儀構成，用於精細測定火星表面物質的元素組成（圖8、圖9），這將為尋找和獲取火星曾經可能存在生命的證據提供堅強的技術支撐。

圖8 「火星2020」搭載的X射線岩石化學行星儀

圖9 PIXL為岩石繪製出每個元素的X射線熒光光譜，地質學家能清楚知道岩石樣本中的礦物成份。微生物生存需要一定環境，這些礦物成份會讓我們更容易找到過去生命的跡象。

第四台儀器是拉曼和熒光光譜儀（SHERLOC，Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals）。掃描宜居環境中有機化合物的SHERLOC安裝在機械臂上，由兩台不同類型的紫外光譜儀和一台多功能相機組成，具備兩種功能：一是高靈敏度的探測碳分子，二是精細測定礦物顆粒的大小，用於尋找火星存在生命的跡象和選擇採取未來返回地球的火星岩石/土壤樣本。SHERLOC將是第一台火星表面的紫外拉曼光譜儀，將為火星車上攜帶的其他設備提供互補測量（圖10）。

圖10 「火星2020」搭載的掃描宜居環境中有機化合物的拉曼和熒光光譜儀

第五台探測儀器是火星氧氣就地資源利用實驗室（MOXIE：the Mars Oxygen ISRU Experiment）。MOXIE將首次嘗試型地利用火星上的天然資源製取氧氣（圖11）。該技術一旦試驗成功，將有可能實現利用火星大氣生產火箭燃料、空氣、水等其他資源，為今後的載人火星任務提供強有力的技術支撐和鋪平道路，並可能徹底改變未來人類探測火星的模式。

正如該團隊所說，當我們將人類送上火星，當然希望他們能夠安全返回，因此，需要一個能夠離開火星的火箭，這將是將宇航員送到火星並返回的最大一筆預算。如果可以在火星上製取氧氣，就可以削減這部分開支，從而在競爭中領先。

可以設想的是，人類登陸火星並返回的長期計劃是：首先發射一個小型核反應堆和放大版的MOXIE設備到紅色星球上。在運行數年後，其氧氣罐中將準備好宇航員所需氧氣；一旦人類到達火星，就可以獲得這些現成的電能、燃料和任務所需的基礎設施。在火星表面製取氧氣將為許多問題提供最簡潔的解決方案，降低了發送液氧到火星的難度，並削減了經費；人類還從未在火星上建造並運行過一個工廠，而實現這一目標，首先需要先研發一個簡單的原型機並運行，以解決可能會面對的問題。

圖11 「火星2020」任務搭載的火星氧氣原地資源利用實驗室

第六種探測儀器是火星環境動力學分析儀（MEDA：Mars Environmental Dynamics Analyzer）。由西班牙負責研製的MEDA的主要任務是晝夜測量火星表面塵埃的季節性的周期變化（大小、形狀、分布、相位等，圖12）。MEDA實際上也是一個火星氣象站，由不同的感測器組成，將分別測量和記錄火星表面氣壓、大氣和土壤的溫度、相濕度、風速及風向、紫外線、可見光和紅外輻射等。未來將可以把這些信息及時發送至個人，能避免自己的裝備沾染上一些潛在的致命塵埃。

圖12 「火星2020」搭載的火星環境動力學分析儀，圓圈處是安裝感測器位置。

最後一種探測儀器是火星次表層實驗雷達成像儀（RIMFAX：The Radar Imager for Mars』 Subsurface Experiment）。由挪威負責研製的RIMFAX是一台穿地雷達，隨著火星車前進，能夠掃描到地表下530米深度的結構特性（圖13），解析度達到厘米級。結合火星快車搭載的次表層探測雷達/高度儀（Sub-Surface Sounding Radar Altimeter，MARSIS）和火星勘測軌道器搭載的淺層雷達（Shallow Subsurface Radar，SHARAD），不但可獲得區域性的火星淺層地質結構特性，而且可獲得全球性的火星淺層地質結構，這為火星土壤、殼的形成與演化等的研究提供了難得的機會。

RIMFAX將有助於「火星2020」任務探測環境的潛在宜居性，並選擇一組最有價值的岩石（或土壤）作為未來返回地球的樣品。

圖13 「火星2020」任務搭載的火星次表層實驗雷達成像儀，能穿透地面，探測到地下厘米級的地質構造。

除科學載荷外，採樣及樣品存儲也是火星採樣返回任務需要解決的重要問題。「火星2020」任務探測器的採樣及樣品存儲設備（圖14），由旋轉撞擊式岩心鑽機、旋轉鑽頭、存儲裝置、機械臂、岩石研磨和擦拭鑽頭組成，這一系統還包括篩選分析鑽頭（先對岩心進行預分析，然後再存儲）、獲取粉末和土壤的鑽頭。該設備針對每個岩心取樣都配有專用鑽頭，總質量為32千克。據悉，樣品存儲設備可密封保存31份樣品，保存時間至少20年。

圖14 「火星2020」任務中用於儲存火星岩石和土壤樣本的設備。岩心樣品被採集後，會被封裝於樣品管中，然後再將樣品管放入儲存器中。儲存器中每一個蜂窩狀的儲存空間直徑約1cm，深度約6cm，總共可以存放31個樣品管。

「火星2020」任務的漫遊車將有助於解答宇航員將會面臨的關於火星環境的問題，在人類著陸、探索和離開這顆紅色星球返航地球之前，率先驗證他們所需的技術，為2030年載人登陸火星鋪平道路。

NASA總部載人探索及任務運行部副主管威廉·格斯登邁爾（William Gerstenmaier）表示，「火星擁有維繫生命所需的資源，這將減少載人火星任務必須攜帶的補給物資數量。更好地理解火星的塵埃和氣候，將為規劃載人火星任務提供寶貴的數據。研製提取這些資源的方法，了解火星上的環境，也將幫助火星上的先驅者們更好地安定下來。」

火星探測步入10年黃金期

「火星2020」 計劃中的火星車，擁有許多前沿的科研成果，通過進一步的探索，將會進一步揭開火星的神秘面紗，促進人類尋找宇宙中的生命，並為探測技術帶來更多的發展機遇。

「我們又邁開了人類火星之旅的關鍵一步」，NASA官員Charles Bolden表示：「『好奇號』是一座里程碑，它標誌著人類對探索火星等地外行星的不懈努力。探索火星將是這一代人的寶貴財富，『火星2020』計劃將為人類探索火星邁出更為至關重要的另一步」。

2016年，NASA還將發射「洞悉號（InSight）」火星探測器。該探測器將探尋火星的內部構造特性，對火星的地質活動、地震、擺動和內部溫度等進行測量，收集有關火星演化的數據，以便與地球的地質演化歷史進行對比。

NASA的火星計劃旨在尋求以動力學方法更好地研究火星，當然也包括過去和現在的環境、氣候、地質以及生物學的潛在價值。與此同時，NASA也正在開展人類登陸火星並重返地球的相關領域的研究。美國希望能夠在本世紀30年代將人類送上火星，「火星2020」的樣本採集和往返任務便旨在為載人火星任務鋪平道路。

除美國外，歐空局（ESA）的「地外火星計劃（ExoMars）」也將於2016年發射一個火星軌道探測器，該探測器由「微量氣體軌道器」和「進入、降落和著陸演示模塊（Descent and Landing Demonstrator Module，EDM）」組成，主要目的是尋找甲烷和其他微量氣體，以及為ESA後續火星探測驗證關鍵技術。此外，ESA將於2018年再次發射一個火星探測器和火星車，擬對火星的大氣和表面進行勘測，尋找火星曾經存在的生命痕迹。

相信在今後的10年～20年，火星這顆紅色的星球，將會成為人類最炙手可熱的探測對象。

（作者：王琴 徐琳；中國科學院月球與深空探測總體部）

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