未來火星探測的五大方向_風聞

近日，我國公佈2030年左右將實施火星採樣返回任務，印度與俄羅斯聯合規劃火星探測，歐空局更提出未來載人登火目標。各國火星探索將關注新目標，為此需要研發新技術，克服新挑戰。

人類火星探測計劃肇始於1960年，時至今日已超一個甲子，在經歷了60-70年代的瘋狂、80-90年代的沉寂後，在21世紀迎來了一波探測高潮：目前仍有來自中國、美國、歐洲、阿聯酋的9個火星探測任務在火星工作。而從各國的最新火星探測計劃來看，人類將在火星生命探測、火星採樣返回、火星衞星探測、火星演化歷史和載人登陸火星等五個方面開展重點攻關。

一、火星生命探測

火星位於太陽系的宜居帶內，是地球的近鄰，二者同屬類地行星，尺寸大小、自轉週期、元素構成等高度接近。在人類各文明的早期神話傳説和近現代文學作品中，“火星文明”和“火星人”都是永恆的主題，也是蘇聯和美國在航天時代伊始就立即投入大量資源到火星探測的核心原因。發現火星生命，也是火星探測永恆的話題。

         

“機遇號”拍到的疑似赤鐵礦樣本（圖源：NASA）

         

如今，“火星快車”、“鳳凰號”、“勇氣號”、“機遇號”和“好奇號”等任務多次明確發現了水、甲烷、地表含碳有機分子等支持生命元素，“藍莓”狀石頭和鵝卵石、古河流三角洲、地下水湖等發現也印證了大規模液體水存在過的痕跡，甚至在地球收集到的火星隕石都發現過疑似古老生命遺蹟。隨着航天技術的進步，以“祝融號”、“毅力號”為代表的新一代火星探測器搭載了更先進的儀器，正在火星表面揭示更多支持火星生命存在的證據。從未來任務來看，歐空局即將發射的“羅莎琳德·富蘭克林”號火星車的重要使命就是深掘地下2米的土壤樣本、尋找潛在微生物的痕跡。這個探測器以1950年發現DNA分子結構的英國女科學家命名，科學家對它的期待可見一斑。

二、火星採樣返回

人類火星探測歷經了飛掠、環繞、着陸和巡視類任務的演化歷史，尤其是着陸和巡視任務直達火星表面，極大豐富了人類對火星水、土壤和地質的認知。“好奇號”和“毅力號”火星車甚至攜帶了激光器和遠距離化學成份分析儀器，可深入研究科學家感興趣的岩石樣本。然而，雖然這種“黑科技”級別的探測方式能極大提升人類對火星樣本的研究能力，但激光衝擊和蒸發的破壞性方式也會讓研究失準，且火星車上搭載的高度集成化、小型化的研究儀器不可能達到地球實驗室內級別的探測精度。在實際操作中，火星車還需要投入大量資源用於自身運動和對地通信（中繼方式）等，對某一實驗的資源分配極其有限，嚴重限制了科研效果。

“好奇號”這種激光灼燒氣化探測方式非常“科幻”，但也破壞了樣本成分（圖源：NASA）

         

因而，目前各航天大國都把火星採樣返回作為下一衝擊目標。例如，“毅力號”火星車已採集並封裝了多管火星土壤樣本，拋置到火星表面後，未來會陸續通過火星車採集、火星表面發射、火星上空交會對接、“火地”星際轉移和再入地球大氣等一系列複雜航天任務，最終將採集到的火星樣本送回地球實驗室。我國也明確了將在2030年左右開展火星採樣返回任務。通過地球上的大規模實驗室和專業設備，人類對這些火星樣本的研究效率，勢必遠遠超過小型的火星車。

三、火星衞星探測

火星有兩個天然衞星，分別是火衞一“福波斯”和火衞二“戴莫斯”，在傳説中是戰神“馬爾斯”（Ares/Mars，火星的英文名稱）的兒子。而從科學研究火星的角度而言，這兩顆衞星保存了火星系統的演化片段，能深入揭示火星的漫長曆史。例如，科學家們對這兩顆衞星的來源一直存在爭議，有些人認為它們是被火星引力從太陽系內俘獲而來，有些人則認為它們來自於火星被撞擊後向太空中拋灑物質的殘餘。此外，這兩顆衞星的體量都非常小，較大的“福波斯”平均半徑也僅為11.2千米，自身的引力場極弱。如果對它們執行採樣返回任務，難度將大幅低於火星表面採樣返回。

蘇聯的“福波斯”探測最後時刻遺憾功虧一簣，否則將揭開火星衞星的面紗（圖源：Roscosmos）

正因如此，蘇聯/俄羅斯曾投入海量資源到火星衞星的探測中，“福波斯1號”、“福波斯2號”和“福波斯·土壤號”都是很龐大的探測任務，重點瞄準火星。然而，這些任務都不幸中途失敗，沒有實現採樣返回。進入21世紀後，俄羅斯繼續把“福波斯”探測系列作為火星研究重點任務。與此同時，又有更多航天勢力瞄準這兩顆衞星。在小行星採樣返回領域頗有建樹的日本已開啓了自己的“福波斯”採樣返回、“戴莫斯”飛掠探測方案，基於“隼鳥1號”和“隼鳥2號”的成功經驗，科學家對日本方案的期待頗高。此外，加拿大航天局也通過與商業航天合作，計劃開啓火衞一偵查和國際火星探測任務（PRIME），推進人類對火星衞星的認知。

四、火星演化歷史

研究火星的過去、現在和將來對人類認知地球有着無法取代的作用。人類已明確知道火星曾經擁有大量地表水、較稠密空氣、一定含量有機物，但始終無法弄清楚它到底是如何演化到如今的地步，尤其是磁場近乎消失，導致整個行星失去了庇護，水和大氣成分快速流失，逐漸失去了支持複雜生命的可能性。在無人探測主導的今天，對於火星演化歷史細節的研究是一大焦點。近年來著名的“MAVEN”大氣專家、“ExoMars/TGO”微量氣體探測器、“洞察號”等任務都聚焦於此，從高層大氣演化到火星內核研究，全方位揭示火星現狀背後隱含的科學秘密。

火星偵察軌道器MRO見證了火星通信和探測技術的劃時代提升（圖源：NASA）

在未來的火星探測中，更先進的探測器、更精密的儀器、更強大的通信能力，都將允許人類對火星採集的數據質量和數量大幅提升，從細節中尋找更多蛛絲馬跡。例如，火星偵察軌道器MRO工作至今提供了海量火星高清細節圖片，傳輸回的數據量已遠超歷史上其他所有火星探測器的總和，未來它還會有更強大的“接班人”保持對火星的動態觀測。歐空局“ExoMars”系列也將進一步搭載更先進的微量氣體和有機物探測、地下雷達等設備，立體揭示火星的秘密。

五、載人登陸火星

毫無疑問，建立“火星家園”是對火星探測的終極目標，將成為人類航天史的不朽里程碑，甚至是人類文明未來的最偉大成就之一。為此，人類需要在航天科技為代表的工程技術、行星科學為代表的理論科學和組織社會學為代表的人文科學等實現全方面的突破。從探測的參與者而言，傳統的“國家隊”主導航天科技發展模式也必須做出改變，積極引導並融入商業航天等新勢力，共同推動開展這項偉大的事業。例如，SpaceX在發展的“星艦”載人飛船，長遠目標就是載人登陸火星。

中國的火星車，也被擬人化成為神話中的“祝融”，是個“火星人”（圖源：國家航天局）

正因如此，幾乎人類各個學科都能看到關於載人登陸火星的影子。從重型火箭研發到火星土壤模擬，從着陸技術升級到航天醫學突破，從航天員選拔到隔絕環境心理學研究，影視作品和文藝小説也充斥着火星的痕跡。必須承認，人類現有技術距離載人登陸火星還相距甚遠，但人類社會正把它作為一個清晰明確的發展目標，實現人類從“地球物種”到“行星際物種”的巨大轉變。