張揚(yáng)眉(北京空間科技信息研究所)
2020年是火星探測任務(wù)發(fā)射大年,多項(xiàng)火星探測器發(fā)射升空,包括阿聯(lián)酋的希望號(Hope)、中國的天問一號(Tianwen-1)和美國的“火星2020”(Mars 2020)。
一直以來,火星探測都是空間探測的熱點(diǎn)之一。自蘇聯(lián)1960年發(fā)射人類首個(gè)火星探測器、揭開火星探測的序幕開始,美國、俄羅斯、歐洲、日本和印度等航天國家/地區(qū)陸續(xù)開展了火星探測活動(dòng),取得了大量的探測成果和重大發(fā)現(xiàn)。近年來,韓國、阿聯(lián)酋等國家也開始涉足空間探測領(lǐng)域,提出月球和火星探測計(jì)劃。
從整體上看,目前國外火星探測活動(dòng)正步入新一輪高潮期,在已經(jīng)過去的2016、2018年的發(fā)射窗口,歐俄和美國先后發(fā)射了“火星生物學(xué)2016”(ExoMars 2016)和洞察號(InSight),此次的2020年和2022年的火星發(fā)射窗口也均安排有密集的火星探測任務(wù)。此外,以美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)為代表的國外商業(yè)航天公司也開始進(jìn)入火星探測領(lǐng)域,制定了“火星殖民”計(jì)劃,期望將來實(shí)現(xiàn)人類改造火星、移民火星并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“多星球文明”的遠(yuǎn)大目標(biāo)。
火星探測具有重大的科學(xué)意義,近60年來,人類探索火星試圖回答以下重大的科學(xué)問題:火星是否存在生命活動(dòng)的信息或曾經(jīng)孕育過生命?火星是否是太陽系中最有可能改造的、適合人類居住的天體?火星獨(dú)特的地形地貌和物理特性,承載了其演化的豐富信息,其演化與太陽系的起源及演化是什么關(guān)系?因此,國外火星探測任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)主要圍繞對火星演化歷史和火星生命信息的探測及研究這兩方面來制定,其中,對火星演化歷史的探測包括火星大氣層、地形的演化、火星的物質(zhì)組成和化學(xué)演化、火星內(nèi)部物理場和結(jié)構(gòu)的演化等;對火星生命信息的探測包括火星水體探測、鹽類礦物探測、從火星表面的形貌特征反證火星過去存在水體活動(dòng)、從火星隕石中探尋生命存在的證據(jù)等。
按照時(shí)間段分類,國外火星探測的發(fā)展歷程可分為3個(gè)階段,即冷戰(zhàn)時(shí)期(1990年前)、20世紀(jì)90年代(1990-1999年)和21世紀(jì)(2000年至今)。
冷戰(zhàn)時(shí)期,蘇聯(lián)/俄羅斯一共實(shí)施了17次火星探測任務(wù),主要為“火星”(Mars)和“福布斯”(Phobos)系列,這些任務(wù)完全以任務(wù)成功與否來衡量探測成果,政治目的強(qiáng)烈,科學(xué)目標(biāo)相對淡化,觀測了火星及其空間環(huán)境,拍攝了一些火星表面圖像,獲取了一些相關(guān)數(shù)據(jù);美國在“冷戰(zhàn)”期間共實(shí)施了8次火星探測任務(wù),主要為“水手”(Mariner)和“海盜”(Viking)系列,在此之后,美國開始遵循其“火星探測計(jì)劃”(MEP)的目標(biāo)進(jìn)行火星探測活動(dòng)。
20世紀(jì)90年代,全球共進(jìn)行了7次火星探測任務(wù),其中美國5次,俄羅斯和日本各1次。在此階段,美國是火星探測的主角,并開始了其持續(xù)至今的“火星探測計(jì)劃”,標(biāo)志性任務(wù)為“火星探路者”(MPF),其攜帶的“索杰納”(Sojourner)是全球第一輛在火星表面著陸的火星車。
美國的“火星探測計(jì)劃”是美國國家航空航天局(NASA)于1993年制定的一項(xiàng)長期火星探測計(jì)劃,目的是探索火星目前的環(huán)境、氣候、地質(zhì)歷史和存在生命痕跡的可能性,即涵蓋了探測火星生命信息和火星演化歷史兩方面的科學(xué)目標(biāo)。
1992年,NASA的“火星觀測者”(Mars Observer)任務(wù)失敗,促使NASA正式制定了“火星探測計(jì)劃”。廣義上來說,自1993年之后NASA的火星探測任務(wù)都屬于“火星探測計(jì)劃”。狹義上來說,“火星探測計(jì)劃”僅包括NASA財(cái)年預(yù)算申請中科學(xué)領(lǐng)域、行星科學(xué)分領(lǐng)域下的“火星探測計(jì)劃”項(xiàng)目。按狹義分類統(tǒng)計(jì),目前NASA已經(jīng)實(shí)施的“火星探測計(jì)劃”任務(wù)包括“火星全球勘測者”(MGS)、“火星氣候軌道器”(MCO)、“火星奧德賽”(Mars Odyssey)、機(jī)遇號(Opportunity)、勇氣號(Spirit)、“火星勘察軌道器”(MRO)、鳳凰號(Phoenix)、好奇號(Curiosity),以及“火星大氣與揮發(fā)物演變”(MAVEN)。
“火星探路者”著陸器及“索杰納”火星車示意圖
NASA“火星探測計(jì)劃”(截至2019年底)
NASA“火星探測計(jì)劃”有4項(xiàng)目標(biāo):確定火星上是否曾經(jīng)存在生命;研究火星氣候;研究火星地質(zhì)情況;為未來的載人探測火星作準(zhǔn)備。
早期“火星探測計(jì)劃”任務(wù)的主要探測目的都是“尋找水”(Follow the Water)。只有在發(fā)現(xiàn)了火星上過去和現(xiàn)在存在水的證據(jù)之后,才有可能進(jìn)一步探索火星上是否有生命痕跡。目前,NASA的火星探測器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)火星表面有水和支持微生物生存的證據(jù),因此美國2011年發(fā)射的好奇號的探測目的則開始轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩ふ疑圹E”。美國“火星2020”任務(wù)旨在探尋火星上生命的痕跡,將采集并存儲(chǔ)火星樣品,未來可能的采樣返回任務(wù)則將把此次采集的樣品帶回地球。
21世紀(jì)初至2020年7月底,國外共實(shí)施了14次火星探測任務(wù),其中美國9次、俄羅斯1次、歐洲2次、印度1次、阿聯(lián)酋1次。該階段的火星探測任務(wù)的最大特點(diǎn)是大部分任務(wù)均成功[俄羅斯的“福布斯-土壤”(Phobos-Grunt)除外],開展了對火星的長期環(huán)繞探測和巡視探測,進(jìn)行了大量的科學(xué)探測試驗(yàn)任務(wù),獲得了多項(xiàng)重大的科學(xué)探測成果。
國外火星探測任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)集中在火星演化歷史探測和火星生命信息兩方面,而且所有的火星探測任務(wù)計(jì)劃都有與火星演化歷史探測相關(guān)的科學(xué)目標(biāo)。
對于火星生命信息的探測,美國將對火星生命痕跡的探測列入了其火星探測戰(zhàn)略規(guī)劃;蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)射的火星任務(wù)多在冷戰(zhàn)期間,主要以領(lǐng)先美國、占據(jù)火星探測技術(shù)制高點(diǎn)為目的;而日本和印度均只實(shí)施了1次火星任務(wù),且印度的火星軌道器僅實(shí)現(xiàn)繞火星軌道運(yùn)行,科學(xué)意義不大;歐俄合作的“火星生物學(xué)2016”任務(wù)著陸器著陸失敗,“火星生物學(xué)2018”任務(wù)延期到2022年發(fā)射,任務(wù)名稱相應(yīng)修改為“火星生物學(xué)2022”。
未來,美國將穩(wěn)步推進(jìn)其“火星探測計(jì)劃”和其他火星探測項(xiàng)目,可能實(shí)施火星采樣返回任務(wù),其科學(xué)目標(biāo)將繼續(xù)遵循“尋找火星生命信息”的主線,尋找火星上的水,探索生命痕跡,研究火星的可居住性,并為今后的載人火星探測作準(zhǔn)備;歐洲也將以其“曙光計(jì)劃”(Aurora)為主線,以載人火星探測為長遠(yuǎn)目標(biāo),未來可能與美國聯(lián)合實(shí)施火星采樣返回任務(wù);俄羅斯則以重振其空間探測能力為重點(diǎn),除了與歐洲合作實(shí)施火星探測,未來可能獨(dú)立實(shí)施火衛(wèi)一(Phobos)采樣返回任務(wù);其他國家如印度、阿聯(lián)酋、韓國等,則側(cè)重于火星探測的政治目的,對科學(xué)目標(biāo)的選擇不夠系統(tǒng)。
前期的火星探測任務(wù)使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到,探索火星對地球環(huán)境演變趨勢研究和拓展人類活動(dòng)疆域具有重大現(xiàn)實(shí)意義,因此全球的火星探測熱潮始終持續(xù),甚至愈發(fā)激烈。
自20世紀(jì)90年代以來,全球共實(shí)施了22次火星探測任務(wù),超過同期月球探測的次數(shù)(18次),火星已成為主要航天國家的主要空間探測目標(biāo)和空間技術(shù)戰(zhàn)略制高點(diǎn),是行星探測的首選目標(biāo)。
美國空間探測的長期戰(zhàn)略是開展對太陽系的持續(xù)探測,包括實(shí)現(xiàn)載人火星探測和對其他行星的探測,進(jìn)而延伸人類的活動(dòng)疆域。美國進(jìn)行空間探測既有科學(xué)目的,又兼顧政治、科技等其他考慮。一方面探索未知世界,深化人類對宇宙的認(rèn)識(shí);另一方面,通過探測活動(dòng)帶動(dòng)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展,并鞏固其航天領(lǐng)先地位。
2010年,奧巴馬政府調(diào)整美國載人探索計(jì)劃,將其調(diào)整為在2025年實(shí)現(xiàn)人類首次訪問近地小行星,2035年左右實(shí)施載人繞火星軌道飛行,之后實(shí)現(xiàn)載人火星探測。
2012年6月,NASA發(fā)布《可持續(xù)的載人航天探索路線圖》,提出了一項(xiàng)多目標(biāo)(地月空間、近地小行星、月球、火星及其衛(wèi)星)的載人航天戰(zhàn)略,并指出美國空間探測的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)載人火星探測,而無人探測作為不可或缺的先驅(qū)任務(wù),可為未來的載人任務(wù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2014年,NASA發(fā)布《2014 NASA戰(zhàn)略規(guī)劃》,提出在21世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)載人火星的探索目標(biāo)。作為對《2014 NASA戰(zhàn)略規(guī)劃》的響應(yīng),NASA科學(xué)任務(wù)部發(fā)布《2014年科學(xué)計(jì)劃》,以“認(rèn)識(shí)太陽系組成、起源、演化及潛在的其他生命”為科學(xué)發(fā)展目標(biāo),勾勒出未來10年行星科學(xué)任務(wù)發(fā)展路線圖,進(jìn)一步明確美國未來空間探測的方向和目標(biāo),計(jì)劃在2025年前實(shí)施數(shù)次火星探測任務(wù)。
2015年10月8日,NASA發(fā)布《火星之旅:開拓太空探索新篇章》報(bào)告,聲稱美國接下來將分3個(gè)階段實(shí)施載人火星探索系列任務(wù),對美國載人火星探測目標(biāo)和計(jì)劃設(shè)想進(jìn)行了分析和總結(jié)。
2018年2月12日,NASA發(fā)布《2018年戰(zhàn)略規(guī)劃》,以特朗普總統(tǒng)簽署的《航天政策1號令》和美國國家航天委員會(huì)(NSC)設(shè)定的目標(biāo)為指導(dǎo),提出“發(fā)現(xiàn)、探索、發(fā)展、實(shí)現(xiàn)”四大戰(zhàn)略目標(biāo),明確了未來數(shù)年內(nèi)NASA的發(fā)展方向、主要舉措和重大項(xiàng)目,為重返月球、載人火星探測,以及長期太空探索奠定基礎(chǔ)。
目前,美國正穩(wěn)步實(shí)施以載人登陸火星為最終目標(biāo)的空間探測戰(zhàn)略規(guī)劃,在軌的火星探測器共5個(gè),包括3個(gè)軌道器、1個(gè)著陸器和1輛火星車。美國未來將繼續(xù)深入開展火星探測活動(dòng),探測目標(biāo)仍將是搜尋火星過去或現(xiàn)在的生命跡象,未來任務(wù)包括無人火星采樣返回任務(wù),以及接替在軌火星探測器的新型火星軌道器,為將來載人火星探測奠定技術(shù)基礎(chǔ),確保美國在火星及空間探測領(lǐng)域的霸主地位。
從歷史上看,蘇聯(lián)/俄羅斯在火星探測方面發(fā)射次數(shù)多,探測方式多樣,但絕大多數(shù)任務(wù)集中在美蘇冷戰(zhàn)時(shí)期,而且任務(wù)失敗率高,20世紀(jì)90年代以后獨(dú)立發(fā)射的2次火星任務(wù)也遭遇失敗。
俄羅斯在2011年“福布斯-土壤”任務(wù)發(fā)射失敗后,重新審視并調(diào)整了其空間探測規(guī)劃,將大多數(shù)空間探測任務(wù)的發(fā)射時(shí)間延遲到2016年以后。根據(jù)俄羅斯2016年通過的《2016-2025年聯(lián)邦航天發(fā)展規(guī)劃》和2018年提出的月球探索路線,未來10年俄羅斯將重點(diǎn)開展無人月球探測,圍繞月球極區(qū)進(jìn)行探測活動(dòng),為未來可能的載人探月和月球基地的建設(shè)打下基礎(chǔ)。此外,俄羅斯還將繼續(xù)與歐洲合作實(shí)施“火星生物學(xué)2022”任務(wù),并計(jì)劃于2024年實(shí)施遠(yuǎn)征-M(Expedition-M)任務(wù),探測火星及其衛(wèi)星,并從火衛(wèi)一帶回土壤樣品。但由于近年來俄羅斯進(jìn)行了一系列航天工業(yè)調(diào)整和改革,加上政治、經(jīng)濟(jì)大環(huán)境以及預(yù)算削減等因素,俄羅斯的新月球探測任務(wù)發(fā)射時(shí)間不斷延期,后續(xù)獨(dú)立的火星探測任務(wù)發(fā)射時(shí)間也并不明確。
目前,俄羅斯已于2016年和歐洲聯(lián)合進(jìn)行了“火星生物學(xué)2016”任務(wù),并正進(jìn)行“火星生物學(xué)2022”以及遠(yuǎn)征-M火衛(wèi)一采樣返回任務(wù)的研制工作。
歐洲的深空探測以“曙光計(jì)劃”為主線,以“宇宙愿景2015-2025”(Cosmic Vision 2015-2025)為指導(dǎo)框架實(shí)施。“曙光計(jì)劃”是歐洲航天局(ESA)于2004年2月3日公布的一項(xiàng)以載人火星探測為最終目標(biāo)的無人和載人空間探測規(guī)劃。該計(jì)劃以火星探測為核心開展關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā),同時(shí)將月球探測作為驗(yàn)證未來載人火星探測技術(shù)的必要過程,最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)載人登陸火星。但是就ESA執(zhí)行“曙光計(jì)劃”的實(shí)際情況看,受歐洲的政治、經(jīng)濟(jì)等大環(huán)境的影響,“曙光計(jì)劃”中的載人探測部分受到ESA主要成員國(法國、德國和意大利)的質(zhì)疑和挑戰(zhàn),ESA各成員國并未在該路線圖的最終目標(biāo)—載人探測上達(dá)成一致意見,路線圖上大量計(jì)劃內(nèi)容都被延期甚至擱置。目前,ESA明確將執(zhí)行的“曙光計(jì)劃”任務(wù)僅為“火星生物學(xué)”。
獵兔犬-2著陸器
在火星探測方面,ESA于2003年成功發(fā)射了其首個(gè)火星探測器—“火星快車”(Mars Express),其攜帶的獵兔犬-2(Beagle-2)著陸器在著陸時(shí)墜毀,但軌道器目前仍在軌運(yùn)行。歐俄合作的“火星生物學(xué)2016”任務(wù)也已成功發(fā)射,探測器成功入軌,試驗(yàn)著陸器著陸失敗。“火星生物學(xué)”第二階段“火星生物學(xué)2018”任務(wù)延期到2020年,后又延期到2022年,并更名為“火星生物學(xué)2022”。
未來,ESA還將與NASA合作實(shí)施火星采樣返回任務(wù),負(fù)責(zé)研制取樣火星車和地球返回軌道器。另外,法國國家空間研究中心(CNES)與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)還計(jì)劃合作開展“火星衛(wèi)星探測”(MMX)任務(wù)。
日本的空間探測發(fā)展路徑與美、俄有顯著不同,并未開展長期而宏大的、針對單一目標(biāo)天體的綜合探測活動(dòng),而是選擇小行星作為突破點(diǎn)。目前,日本已發(fā)射了彗星、火星、月球、金星和小行星探測器,其中彗星探測、月球探測和小行星探測都獲得成功,尤其是小行星采樣返回探測水平世界領(lǐng)先。但1998年發(fā)射的唯一的火星探測器—“希望”(Nozomi)探測器任務(wù)失敗。
日本未來空間探測短期目標(biāo)是月球探測、小天體采樣返回探測和水星探測,長期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)載人登月和月面長期生存,建立月球基地,開展月球資源利用。日本未來還將開展大天體的環(huán)繞探測,包括火星以及木星綜合探測等。日本還明確指出,要通過國際合作開展大天體探測等復(fù)雜的空間探測任務(wù)。
2018年12月11日,日本內(nèi)閣府航天戰(zhàn)略本部公布2018年修訂版《宇宙基本計(jì)劃》,更新了至2034年的航天項(xiàng)目進(jìn)度,明確了日本未來將牽頭并與美歐合作開展“火星衛(wèi)星探測”任務(wù),參與歐洲的“木星與冰層衛(wèi)星探測器”(JUICE),與德國合作研發(fā)“命運(yùn)+”(DESTINY+)深空技術(shù)驗(yàn)證任務(wù),繼續(xù)推進(jìn)“月球探測智能著陸器”(SLIM)的研發(fā)等。
2020年2月19日,JAXA宣布“火星衛(wèi)星探測”任務(wù)獲得正式批準(zhǔn),將進(jìn)入全面研發(fā)階段。該任務(wù)計(jì)劃于2024年發(fā)射,將觀測火衛(wèi)一和火衛(wèi)二(Deimos)兩顆火星衛(wèi)星,降落在火衛(wèi)一表面并采集表面樣品,最終于2029年將樣品送回地球。
印度一直主張通過發(fā)展空間技術(shù)促進(jìn)民用技術(shù)的發(fā)展。印度總理莫迪也曾多次指出,空間技術(shù)發(fā)展象征著印度的科學(xué)技術(shù)成就。但實(shí)際上,印度進(jìn)行空間探測任務(wù),其政治目的重于科學(xué)目的。印度將日本和中國作為空間探測的主要競爭對手,其空間探測目的首先是顯示實(shí)力,提升航天地位,其次才考慮科學(xué)探測成果。
印度在其“十二五”規(guī)劃中,就將火星探測正式納入國家航天發(fā)展計(jì)劃,并于2013年開展了首次火星探測任務(wù)。在實(shí)現(xiàn)火星探測領(lǐng)域零的突破后,印度提出將實(shí)施第二次火星探測任務(wù)—曼加里安-2(Mangalyaan-2),目前該任務(wù)的計(jì)劃發(fā)射日期為2024年左右,可能攜帶著陸器和火星車。
從火星探測的技術(shù)能力維度看,目前在火星探測領(lǐng)域,國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了火星飛越、環(huán)繞、著陸和火星車巡視勘察探測。其中,美國已經(jīng)全面具備火星飛越、環(huán)繞、著陸、巡視勘察探測能力,在火星探測領(lǐng)域占絕對領(lǐng)先地位;蘇聯(lián)/俄羅斯具備火星飛越、環(huán)繞、著陸探測能力,但其大部分任務(wù)都集中在冷戰(zhàn)期間,在此之后進(jìn)行的兩次任務(wù)都以失敗告終,最近與歐洲合作發(fā)射的“火星生物學(xué)2016”任務(wù)部分成功;歐洲通過唯一的一次獨(dú)立的火星探測任務(wù),掌握了火星飛越和環(huán)繞探測能力;日本的火星軌道器任務(wù)未能成功,但該次任務(wù)使日本具備了火星飛越探測能力;印度也通過其首次火星軌道器任務(wù),掌握了火星環(huán)繞探測技術(shù)。
國外火星探測能力對標(biāo)
美國是全球唯一實(shí)現(xiàn)火星著陸和巡視探測的國家,其火星探測技術(shù)占據(jù)全球霸主地位。美國的火星探測技術(shù)先進(jìn),尤其是2011年發(fā)射的好奇號火星車任務(wù),是美國火星探測的里程碑,首次驗(yàn)證了“空中吊車”精準(zhǔn)著陸技術(shù),其精確著陸的成功實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著美國火星探測技術(shù)取得標(biāo)志性突破。美國最近發(fā)射的“火星2020”,相比好奇號,其著陸橢圓的范圍減小50%,達(dá)到約10km,此外該次任務(wù)還將首次使用火星直升機(jī)。從美國1964年發(fā)射水手-4火星探測器以來,美國的火星探測經(jīng)歷了掠飛器、軌道器、著陸器、著陸器/火星車以及獨(dú)立的大型火星車等5個(gè)技術(shù)發(fā)展階段。
蘇聯(lián)/俄羅斯的火星探測技術(shù)在全球處于領(lǐng)先地位,火星探測任務(wù)數(shù)量僅次于美國,但其所有成功的任務(wù)都是在冷戰(zhàn)期間實(shí)施的,20世紀(jì)90年代后僅進(jìn)行了兩次獨(dú)立的火星探測嘗試,均告失敗。
其他國家和地區(qū),如歐洲、日本和印度,具備了火星飛越或環(huán)繞能力,尤其是日本和印度實(shí)現(xiàn)了從無到有的轉(zhuǎn)變。
好奇號著陸火星
未來,美國將以突破火星采樣返回技術(shù)為里程碑,重點(diǎn)研發(fā)火星采樣返回相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù),例如,樣品獲取與封裝技術(shù)、行星保護(hù)技術(shù)、精準(zhǔn)著陸技術(shù)、火星車的危險(xiǎn)規(guī)避和移動(dòng)技術(shù)、火星上升器技術(shù)、交會(huì)與樣品捕獲技術(shù)、地球再入器技術(shù)等;而歐洲和俄羅斯將繼續(xù)合作實(shí)施火星巡視勘察任務(wù),計(jì)劃掌握火星著陸技術(shù)和巡視勘察技術(shù),此外歐洲也將參與美國的火星采樣返回任務(wù);日本則將利用其小行星采樣返回技術(shù)優(yōu)勢,重點(diǎn)突破火衛(wèi)一或火衛(wèi)二采樣返回技術(shù)。其他國家大多還是以突破火星環(huán)繞技術(shù)為主要目標(biāo),重視實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo),而相對忽略科學(xué)目標(biāo)。