編譯 蔡立英

2020年7月，備受矚目的火星探測(cè)迎來(lái)發(fā)射“窗口期”，中國(guó)、美國(guó)和阿聯(lián)酋這三個(gè)國(guó)家的火星探測(cè)器“同臺(tái)競(jìng)技”，奔向以危險(xiǎn)著稱的目的地——火星。

2020年7月有三次火箭發(fā)射，目的地均是火星。美國(guó)、中國(guó)和阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)（阿聯(lián)酋）這三個(gè)國(guó)家紛紛派遣“使節(jié)”前往紅色星球，希望開啟火星探測(cè)的新篇章。

每個(gè)探測(cè)任務(wù)本身就是開拓者。美國(guó)派出其第五臺(tái)火星漫游車，這是美國(guó)宇航局（NASA）有史以來(lái)最強(qiáng)大的火星漫游車，希望能找到火星上過(guò)去生命的跡象，并采集有朝一日能返回地球的首批巖石樣本。中國(guó)的目標(biāo)是基于月球探測(cè)的成功經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)首次發(fā)射火星探測(cè)器，一次性完成“繞”“落”“巡”三大任務(wù)。阿聯(lián)酋發(fā)射了一個(gè)火星軌道器——這是阿拉伯國(guó)家的第一個(gè)星際探測(cè)器，來(lái)測(cè)試其年輕但雄心勃勃的航天機(jī)構(gòu)的實(shí)力。

所有這些探測(cè)任務(wù)是否會(huì)成功，還遠(yuǎn)未可知，因?yàn)榛鹦且浴笆『教炱鞯哪沟亍倍Q。但是，如果這些任務(wù)成功了，將徹底改寫人類對(duì)火星的科學(xué)理解。中美兩國(guó)的火星漫游車將前往火星此前從未被探索過(guò)的區(qū)域，而阿聯(lián)酋的軌道器將跟蹤研究火星大氣的變化。

毅力號(hào)火星漫游車的腹部裝有一架太陽(yáng)能直升機(jī)

盡管新型冠狀病毒大流行打亂了其他許多探測(cè)計(jì)劃，其中就包括原定2020年發(fā)射的歐洲與俄羅斯合作的火星探測(cè)任務(wù)因故不得不推遲2年，但中、美、阿聯(lián)酋三國(guó)火星探測(cè)任務(wù)背后的研發(fā)團(tuán)隊(duì)仍能千方百計(jì)克服疫情影響，保持了他們的項(xiàng)目進(jìn)度。當(dāng)這三個(gè)探測(cè)器升空時(shí)，它們?yōu)榈厍蛉颂峁┮粋€(gè)仰望星空并超脫于地球上的問(wèn)題的機(jī)會(huì)——無(wú)論這個(gè)機(jī)會(huì)多么短暫。

NASA的目標(biāo)是火星巖石采樣返回

NASA希望其火星探測(cè)器——名為“毅力”號(hào)的三米長(zhǎng)六輪火星漫游車，將是一個(gè)更宏大的火星探測(cè)旅程的開始。如果一切都按計(jì)劃進(jìn)行，那么毅力號(hào)將采集并儲(chǔ)存火星巖石樣本，以待將來(lái)的探測(cè)器有朝一日將樣本帶回地球，可能要等到2031年，這將是有史以來(lái)首次從火星返回的樣本。

這意味著毅力號(hào)打的是一個(gè)天價(jià)豪賭。NASA此前的4臺(tái)火星漫游車——1997年的“旅居者”號(hào)、2004年的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)，以及2012年的“好奇”號(hào)都與探索有關(guān)，任務(wù)操控者可能會(huì)花些時(shí)間驅(qū)動(dòng)這些火星漫游車，使它們悄悄接近感興趣的巖石，或者使它們穿越廣闊的平原。而毅力號(hào)到達(dá)火星后的任務(wù)很明確，主要就是識(shí)別和收集代表火星地質(zhì)歷史的各種巖石，預(yù)計(jì)將在一個(gè)火星年（將近兩個(gè)地球年）內(nèi)完成這項(xiàng)任務(wù)。毅力號(hào)所采集的任何樣品都將有助于塑造未來(lái)幾十年的火星科學(xué)進(jìn)程。

最重要的是，毅力號(hào)為科學(xué)家提供了了解這顆紅色星球上是否曾存在生命的最佳機(jī)會(huì)。如果它收集到了合適的巖石，那么地球上實(shí)驗(yàn)室中的科學(xué)家也許可以從返回的樣本中提煉出火星生命的特征。

華盛頓州塞奎姆美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的天體生物學(xué)家雪莉?卡迪（Sherry Cady）指出：“毅力號(hào)首次為我們提供了在一個(gè)全新層次上探究火星上是否存在生命這樣一個(gè)基本問(wèn)題的機(jī)會(huì)。”

毅力號(hào)將通過(guò)一系列科學(xué)儀器對(duì)火星表面和大氣進(jìn)行采樣和探測(cè)。這是一臺(tái)很眼熟的火星漫游車——基本上是過(guò)去八年來(lái)一直在探測(cè)蓋爾隕石坑的好奇號(hào)火星漫游車的復(fù)制品。NASA的目標(biāo)是通過(guò)使用相同的設(shè)計(jì)來(lái)節(jié)省成本，并稍作調(diào)整，例如增加一個(gè)樣本存儲(chǔ)系統(tǒng)，對(duì)車輪進(jìn)行升級(jí)。盡管NASA的目的是削減成本，但由于某些儀器研制困難，探測(cè)器的總體造價(jià)已升至27億美元，超出預(yù)算近3.6億美元。

毅力號(hào)攜帶了高級(jí)版的某些好奇號(hào)傳感器，包括一個(gè)用激光爆破巖石以識(shí)別其原子和分子構(gòu)成的化學(xué)分析儀，以及一個(gè)可以放大感興趣區(qū)域以產(chǎn)生立體聲和3D圖片的高分辨攝像系統(tǒng)。毅力號(hào)還有一項(xiàng)獨(dú)門秘技可以炫耀，那就是將進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，試圖從火星富含二氧化碳的大氣中產(chǎn)生氧氣，以此來(lái)測(cè)試為未來(lái)踏足火星的人類探索者提供氧氣支持的方式。毅力號(hào)裝載有X射線和紫外光譜儀，可用于詳細(xì)的礦物學(xué)分析。更新奇的是，還有能收聽火星聲音的麥克風(fēng)，以及一架安裝在火星車腹部的太陽(yáng)能直升機(jī)。

而毅力號(hào)的采樣系統(tǒng)，則是工程師從頭開始全新設(shè)計(jì)的。毅力號(hào)的腹部裝有43根樣品管。當(dāng)它遇到科學(xué)家要采樣的巖石任務(wù)時(shí)，火星車將伸出其2.1米長(zhǎng)的機(jī)械臂，鉆出一個(gè)大約筆形電筒大小的樣本：長(zhǎng)60毫米，直徑13毫米，然后裝入樣品管并密封。最終，一旦毅力號(hào)采集了20個(gè)樣品管的樣本，將存放在火星表面的“緩存站點(diǎn)”，直到將來(lái)某個(gè)新的探測(cè)器到達(dá)火星取回樣本。NASA目前計(jì)劃與歐空局（ESA）合作，于2026年發(fā)射一個(gè)探測(cè)器，于2031年將火星巖石樣本返回地球。

毅力號(hào)將著陸在火星赤道以北的耶澤洛隕石坑，該隕石坑口徑45千米，過(guò)去曾是湖泊和河流三角洲的所在地。美國(guó)德克薩斯州休斯敦月球與行星研究所的行星科學(xué)家肯達(dá)?林奇（Kennda Lynch）指出，這個(gè)古老的三角洲提供了豐富多樣的地質(zhì)景觀——毅力號(hào)可以收集許多可能包含過(guò)去生命跡象的樣本。負(fù)責(zé)建造毅力號(hào)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL，位于加利福尼亞州帕薩迪納）的工程師已經(jīng)繪制出了火星車在三角洲周圍探測(cè)的多條路線，覆蓋了方圓15千米的范圍?？ǖ险J(rèn)為，如果毅力號(hào)首先在該區(qū)域巡視，勘察地形，然后再返回來(lái)采集樣本，將是最佳做法。

毅力號(hào)將探測(cè)一個(gè)古老的三角洲，那里曾經(jīng)有水流過(guò)火星表面

毅力號(hào)于7月30日從佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射，并將于2021年2月18日登陸火星。

中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)計(jì)劃

中國(guó)制定了雄心勃勃的首次火星探測(cè)計(jì)劃。搭載了13種科學(xué)載荷的軌道器、著陸器和巡視器于7月23日從中國(guó)海南島發(fā)射升空。這項(xiàng)火星探測(cè)任務(wù)名為天問(wèn)一號(hào)，意味著“求索宇宙的真理”，將是中國(guó)對(duì)太空的最深入探索。到2021年2月，該探測(cè)器將抵達(dá)火星，目標(biāo)是對(duì)火星的大氣、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地表環(huán)境進(jìn)行全面勘察，包括尋找水的存在和生命跡象。

中國(guó)此前的嘗試是在2011年搭乘俄羅斯火星探測(cè)器，向火星發(fā)射一枚軌道器“螢火一號(hào)”，但因俄羅斯火星探測(cè)器未能按計(jì)劃變軌，以探測(cè)器的失蹤而告終。但是在這次失敗之后，中國(guó)在太空領(lǐng)域取得了一系列勝利。2013年，中國(guó)成為第三個(gè)在月球上著陸航天器的國(guó)家。2019年，中國(guó)的嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功著陸月球背面，成為世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)此壯舉的國(guó)家。2020年5月，中國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船由長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭發(fā)射升空并成功返回，新一代載人飛船將把宇航員送往預(yù)計(jì)于2022年建成的中國(guó)空間站。

但是，中國(guó)空間技術(shù)研究院的研究人員在2017年的一篇論文中表示，火星探測(cè)項(xiàng)目與中國(guó)此前的太空探測(cè)任務(wù)屬于不同類型。前往火星的路程比前往月球的路程長(zhǎng)1 000倍，火星表面引力是月球的2倍，火星有大氣層，火星表面散布著密集的巖石，使得火星探測(cè)任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)更大。

此前，中國(guó)政府并沒(méi)有過(guò)多透露這項(xiàng)任務(wù)的內(nèi)容，大部分公開信息來(lái)自發(fā)表的文章和官方媒體報(bào)道，省略了項(xiàng)目預(yù)算、確切發(fā)射日期以及探測(cè)器在火星上的著陸點(diǎn)等關(guān)鍵細(xì)節(jié)。但是，空間物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（NSSC）主任王赤在一封電子郵件中表示，該任務(wù)正按計(jì)劃推進(jìn)。他表示：“我們的團(tuán)隊(duì)目前正在海南文昌發(fā)射中心工作，一切進(jìn)展順利?！痹谥袊?guó)國(guó)家航天局（CNSA）的領(lǐng)導(dǎo)下，王赤負(fù)責(zé)此次任務(wù)的科學(xué)有效載荷。

如果一切都按計(jì)劃進(jìn)行，天問(wèn)一號(hào)將是第一個(gè)成功地綜合使用軌道器、著陸器和巡視器研究火星的探測(cè)器。一旦這個(gè)組合探測(cè)器飛抵火星，六角形的軌道器將把著陸器和受球形錐殼保護(hù)的巡視器釋放到火星大氣中。2019年9月，在瑞士日內(nèi)瓦舉行的歐洲行星科學(xué)大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)一位科學(xué)家在報(bào)告中透露，中國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在火星赤道以北的烏托邦平原上發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)候選的著陸區(qū)。

探測(cè)器將打開降落傘，然后懸停在空中，最后依靠圓形著陸器的四條著陸腿平穩(wěn)著陸。這臺(tái)重約200千克的火星車（即巡視器）將展開其太陽(yáng)能電池板，沿著梯子駛下，然后在其大約90個(gè)火星日（一個(gè)火星日是24小時(shí)37分鐘）的壽命內(nèi)自主探索周圍環(huán)境。在火星車執(zhí)行巡視任務(wù)期間，軌道器將為火星車提供中繼通信鏈路，之后軌道器將進(jìn)入距離火星更近的軌道，對(duì)火星開展為期一個(gè)火星年的環(huán)繞科學(xué)探測(cè)。

中國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)分別為軌道器和巡視器配置了8臺(tái)和5臺(tái)科學(xué)載荷。軌道器上的地下雷達(dá)可以探測(cè)地下100米深，從而繪制地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖并尋找水和冰。中分辨率相機(jī)和高分辨率相機(jī)將收集沙丘、冰川和火山等形貌特征圖像，提供地貌形成線索。軌道器和巡視器都將攜帶光譜儀，研究土壤和巖石的成分，尤其是尋找水改變地質(zhì)特征的證據(jù)。中國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃收集有關(guān)溫度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向的大氣數(shù)據(jù)，并研究火星的磁場(chǎng)和重力場(chǎng)。

美國(guó)華盛頓大學(xué)圣路易斯分校（位于密蘇里州）的行星地質(zhì)學(xué)家雷蒙德?阿維森（Raymond Arvidson）指出，以前的火星探測(cè)任務(wù)中也曾搭載過(guò)類似的儀器。但是火星很大，地質(zhì)歷史也很復(fù)雜，因此，天問(wèn)一號(hào)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以使研究人員了解現(xiàn)有觀測(cè)儀器未覆蓋到的地方?！叭绻袊?guó)的儀器能夠正常工作，產(chǎn)生數(shù)據(jù)并以類似于我們的方式共享，那么付出的一切努力都是值得的?！卑⒕S森表示，他所說(shuō)的數(shù)據(jù)共享方式是指由他所在的大學(xué)和NASA管理的一個(gè)免費(fèi)的公共檔案庫(kù)，收集了以前的很多行星探測(cè)任務(wù)的地質(zhì)科學(xué)數(shù)據(jù)。

2003年發(fā)射的ESA“火星快車”軌道器項(xiàng)目科學(xué)家德米特里?蒂托夫（Dmitrij Titov）表示，中國(guó)天問(wèn)一號(hào)軌道器的壽命可能比一些服役期將滿的“老兵”更長(zhǎng)，包括ESA的火星快車，NASA的火星偵察軌道器和MAVEN大氣專家軌道器。蒂托夫認(rèn)為，有朝一日當(dāng)許多其他航天機(jī)構(gòu)都忙于實(shí)施樣品返回任務(wù)的時(shí)候，對(duì)火星的持續(xù)監(jiān)測(cè)將使整個(gè)科學(xué)共同體受益。實(shí)際上，中國(guó)自有安排，計(jì)劃在2030年從火星收集并返回樣品。

阿聯(lián)酋的星際探測(cè)希望

阿聯(lián)酋夢(mèng)想遠(yuǎn)大，決定發(fā)射其首顆飛出地球軌道、奔向火星的探測(cè)器，因此，將這顆火星軌道器命名為“希望”號(hào)。該軌道器于7月20日在日本鹿兒島縣種子島太空中心發(fā)射升空。

如果成功，阿聯(lián)酋火星任務(wù)（EMM）不僅標(biāo)志著阿拉伯國(guó)家第一個(gè)行星際冒險(xiǎn)的成功，而且還將制作出火星的第一張全球氣象圖。盡管以前的探測(cè)器建立了從軌道上觀測(cè)火星大氣的圖像，能夠在一天的有限時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)火星的一小部分區(qū)域，而希望號(hào)環(huán)繞火星巨大的橢圓形軌道探測(cè)，將能夠在白天和夜晚對(duì)火星的大片區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)。希望號(hào)每環(huán)繞火星一圈用時(shí)55小時(shí)，觀測(cè)范圍幾乎能覆蓋火星全球。希望號(hào)科學(xué)負(fù)責(zé)人、阿聯(lián)酋高級(jí)科學(xué)國(guó)務(wù)部長(zhǎng)莎拉?阿米里（Sarah Al Amiri）表示：“我們的希望號(hào)對(duì)火星的觀測(cè)將能夠覆蓋火星全球，做到全天候，時(shí)間跨度達(dá)到整個(gè)火星年?！痹撎綔y(cè)器的可見光相機(jī)和紅外光譜儀將研究低層大氣中的火星云和沙塵暴，紫外光譜儀將監(jiān)測(cè)高層大氣中的氣體。EMM科學(xué)團(tuán)隊(duì)成員侯賽?馬特魯什（Hessa Al Matroushi）指出：“這將是第一個(gè)制作出火星全球動(dòng)態(tài)氣象圖的火星探測(cè)器。”

在執(zhí)行為期兩年的任務(wù)期間，希望號(hào)將跟蹤天氣的日變化和季節(jié)變化。它不僅有助于為未來(lái)的人類飛行任務(wù)做準(zhǔn)備，還將揭示大氣條件如何導(dǎo)致氫和氧逃逸到太空中。這可以幫助科學(xué)家了解火星的氣候以及它如何失去曾經(jīng)厚厚的大氣層。阿米里表示，希望號(hào)科學(xué)團(tuán)隊(duì)與國(guó)際合作者共同提出了其科學(xué)目標(biāo)，而且數(shù)據(jù)將不設(shè)禁期地提供給國(guó)際社會(huì)。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室火星項(xiàng)目辦公室首席科學(xué)家理查德?祖雷克（Richard Zurek）認(rèn)為：“阿聯(lián)酋人不僅非常熱切地希望通過(guò)此次火星探測(cè)任務(wù)展示其國(guó)家的技術(shù)實(shí)力，而且還希望在人類對(duì)火星的科學(xué)理解上做出自己的貢獻(xiàn)?！?/p>

發(fā)射一顆行星際探測(cè)器對(duì)阿聯(lián)酋而言是一個(gè)重大的飛躍，為此，阿聯(lián)酋聘請(qǐng)了曾參與NASA以往任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，主要來(lái)自美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校。這種合作的目標(biāo)很明確，就是將NASA的相關(guān)技術(shù)傳授給穆罕默德?拉希德航天中心的團(tuán)隊(duì)，NASA的工程師與阿聯(lián)酋的團(tuán)隊(duì)一起完成希望號(hào)任務(wù)的每個(gè)環(huán)節(jié)。阿聯(lián)酋高等教育國(guó)務(wù)部長(zhǎng)、阿聯(lián)酋航天局主席艾哈邁德?貝盧爾（Ahmad Belhoul）坦言：“現(xiàn)實(shí)是，我們阿聯(lián)酋是一個(gè)年輕的國(guó)家，如果沒(méi)有合作伙伴和國(guó)際合作，我們做不成任何事情。”

通常，對(duì)于一個(gè)行星際探測(cè)項(xiàng)目，任務(wù)的想法不是來(lái)自科學(xué)家，而是來(lái)自政府本身——而且希望號(hào)任務(wù)的完成時(shí)限2021年12月2日是不可協(xié)商的，因?yàn)檫@是阿聯(lián)酋建國(guó)50周年紀(jì)念日。EMM的項(xiàng)目主管伊姆蘭?沙拉夫（Omran Sharaf）指出，選擇這樣一項(xiàng)大膽的任務(wù)不僅是為了激勵(lì)阿聯(lián)酋的年輕人，更是為了促使阿聯(lián)酋向知識(shí)經(jīng)濟(jì)邁進(jìn)。

希望號(hào)任務(wù)已經(jīng)產(chǎn)生了影響，阿聯(lián)酋各大學(xué)開設(shè)了5門新的本科生科學(xué)課程，阿聯(lián)酋兒童對(duì)太空的熱情也不斷高漲。

阿米里認(rèn)為，從很多方面來(lái)說(shuō)，即使希望號(hào)在發(fā)射臺(tái)上爆炸，這次任務(wù)也將是成功的。不過(guò)，她很快就重新考慮了剛才的這個(gè)假設(shè)：“只要想到任務(wù)失敗的可能性，我的心臟就漏跳了一拍?！?/p>

資料來(lái)源 Nature