出品| 新浪科技《科學大家》、墨子沙龍

　　撰文| 舒嶸 中國科學院上海技術(shù)物理研究所副所長、研究員

　　科學家眼中的火星

　　火星是太陽系八大行星中第四顆，是一顆類地行星。古時候，中國人一直稱火星為熒惑星，意味著瑩瑩火光，離離亂惑之意。在西方一直用古希臘神話傳說中英雄名字命名火星。真實的火星是什么樣子的呢，在人造衛(wèi)星上看，火星上面既有像沙漠、像流過河流的戈壁灘，也有山丘等地貌�；鹦巧系暮恿魇菦]有液態(tài)水的，但是在火星南北極下面有大量冰川地下水。

                                     

　　火星的地質(zhì)情況跟月球是非常接近的�；鹦堑拇笮〗橛诘厍蚝驮虑蛑�間，重量大約是地球的十分之一，體積相當于地球的六分之一。在火星上一年大約相當于地球上兩年。

                                       

　　我們都非常想知道地球的過去與未來。有一門學科叫比較行星學，通過比較八大行星中其他行星演變的情況來看地球的過去跟未來。在約45億年前，宇宙形成的初期，火星和地球是一樣的，它的表面也是有流水，到了30億年前左右，地球上出現(xiàn)了光合作用，產(chǎn)生了生命�；鹦堑胶竺嫠�消失了，變成了一個又冷又干的星球。所以探索火星的氣候變化以及地質(zhì)的演化，對于保護地球，拓展我們?nèi)祟惿�存的疆域，有非常重要的意義。火星是我們整個深空探測領域，除月球以外的第二個重要研究的星球。

　　科學家想要看火星的什么？要從三個方面看：生命、氣候、地質(zhì)。

　　我們先要知道，在火星上面是否有過生命的出現(xiàn)，有沒有生命的一些痕跡。第二個方面，因為火星上是有大氣的，了解火星氣候演變的過程以及歷史很有意義。另外是研究火星表面和地質(zhì)演化的過程，可以更好地幫助理解地球的早期演化歷史和生命的起源。

　　火星探險

　　整個深空探測都是在科學目標牽引下，實現(xiàn)探索與技術(shù)相結(jié)合。

　　記得當時做嫦娥項目的時候，歐陽自遠院士說過一句話，如果科學家把探索的目標想清楚了，在技術(shù)的支撐下，才能實現(xiàn)這些科學的夢想。實際上國際上的科學界，對宇宙的探索也是走的這樣一條路。

　　火星探測風險是很大的，我國2020年要發(fā)射一顆火星探測器。但實際上在2011年，我們跟隨俄羅斯的福布斯-土壤探測器已經(jīng)搭載過一顆火星探測器，這顆火星探測器是由上海航天八院研制的，很不幸這個發(fā)射器升空以后，由于俄羅斯人過早的把計算機系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自動的導航模式，結(jié)果由于里面的軟件有點bug，導致探測器沒有脫離地球軌道，變成了地球上的一顆衛(wèi)星，而且軌道不高，所以搶救了幾個月以后，這顆衛(wèi)星最后墜入大氣層就毀掉了。從整個世界來說，火星探測的成功概率不到50%。

　　2020年中國第一次用全新研制的長征五號火箭，要一次實現(xiàn)繞、落、巡這三個目標，難度非常大。美國的海盜1號和海盜2號，在1976年第一次成功進入火星軌道，降落到火星上去。目前火星探測以美國為主，然后是歐盟ESA、日本，我們也期盼著，2020年以后中國的火星探測越來越多。

                               

　　從上面的圖中可以看到，圍繞著水的尋找，人類從環(huán)繞器的三個探測器加上“機遇號”火星車，開展了很多研究工作。圍繞著可居住性發(fā)射了軌道探測器、微量氣體探測器以及“好奇號”火星車，進行了各種探測活動。最近一次人類成功在火星上降落的是“洞察號”火星著陸器，它是研究磁場和大氣是怎樣的情況、多久消失的，另外還要進行類地行星的研究。

　　無論是NASA、ESA還是中國，著陸器或者火星車，其實都是要研究可居住性和生命的痕跡。目前已經(jīng)做了尋找水的探險，水是肯定有的，但是水不在表面，在火星表面的下層，這點在目前科學研究成果中是百分之百確定的，因為在火星上既發(fā)現(xiàn)了水流的痕跡，還測到氫的元素。第二個是可居住性，火星上二氧化碳、水這兩個元素比月球環(huán)境要好很多。第三個方面，火星過去到底有沒有生命存在，這個研究做的比較少。

　　探索火星的挑戰(zhàn)

　　我們要去火星的探險和月球的探險有很大的區(qū)別。

　　第一個，火星距離很遠，最遠超過4億公里，近的時候約是5500萬公里，一般選擇在大約8000萬公里的距離發(fā)射探測器。第二個是溫度，到了晚上會非常冷，達到零下143攝氏度，白天最熱的地方在赤道附近，也就是35攝氏度左右。另外大氣非常稀薄，而且還有沙塵暴。

　　圍繞這三個特點，工程師怎么解決呢？

　　不是每時每刻飛去火星都是適合的，因為我們要找一個距離合適的時間，每隔26個月有一個火星發(fā)射窗口。我們國家本來在2018年準備發(fā)射一個火星探測器的，但是由于種種原因沒有搞成，后來就拖到2020年。2020年的夏天，無論是歐洲、美國還是中國，都將往火星發(fā)射自己的探測器。飛到火星要花7個月的時間，從地球去月球只需要9天。在火星上要10多分鐘才能把一個信號傳輸回來，而且信號傳輸?shù)乃俾适呛艿偷�，我們已�?jīng)用上了5G，速率非常高，但是火星到地球也就是百k量級的比特，低傳輸效率限制了科學的探索。

　　落到火星上以后面臨三個挑戰(zhàn)。

　　第一是沙塵暴，沙塵暴來了以后，火星車必須要把自己保護好，否則整個儀器會被掩蓋掉。而且沙塵暴來了以后，太陽能帆板上面的沙塵會降低能源的轉(zhuǎn)化效率。

　　第二是光照問題，因為火星離太陽很遠，在火星上接收到的太陽光能量只有月球表面的40%。我們國家的月球車是兩塊帆板，但是我們的火星車要由四塊帆板構(gòu)成的，這樣才能能量保持大致相當。

　　第三是火星上的重力，月球的重力只有地球的六分之一，但是火星重力沒有那么小，在火星上面要跑同樣重量的火星車，需要的能量也比月球上要高。這三個問題給火星車的應用帶來了一些新的問題。

　　我們要去火星上的一個地方，首先要去選擇著陸點，這是非常重要的，先從工程上來說，既不能是孤島，又不能是陡坡，還不能是非常軟的地方，不能讓火星車下去就無出路、傾倒、或陷進去；另外，因為火星上有高山、峽谷，不能進去以后把太陽擋住了，沒有光照就沒有能源；而且還要考慮到通訊，從科學家的角度，非常希望去的位置有很好的科學研究價值。

　　下圖是美國NASA七次火星探測的著陸點，大家可以看到2020年中國預定著陸區(qū)是在這兩個地方（紅色標記），為什么要選兩個預定著陸區(qū)？因為火星上有不確定的大氣流和風暴，我們要根據(jù)實際情況來進行降落。左邊的降落區(qū)的好處是我們會跟美國NASA的著陸點比較接近，大家都會在一塊大的區(qū)域來共同對火星表面進行探索和研究，科學數(shù)據(jù)可以進行國際化的共享。

                                 

　　著陸過程是最驚心動魄的。我們中國月球探測30分鐘叫“黑色30分鐘”，在火星上有“恐怖7分鐘”，目前在國際上有三種降落方式，一個叫氣囊式，“勇氣號”、“機遇號”都采取了這種方式——一個氣囊下來以后彈跳，最后用不倒翁的原理打開，保證火星車從里面出來。第二種方式是支架式，相當于有四條腿，像一張桌子一個板凳一樣下去，當然先是降落傘，因為有大氣所以都要用降落傘，區(qū)別在于靠近火星表面的時候。第三種是起重機天抓式，由于火星表面的各種坑、石頭特別多，支架式落在石頭上會翻身，那車就要翻掉了，所以采取了一種像直升機一樣，可以把火星車放下來，上面的著陸器平移，來找一塊相對平坦的區(qū)域。

                                                                   

　　我們國家的方案是什么？由于我們必須自力更生，所以我們也進行了創(chuàng)造。

　　我們把支架式和起重機天抓式相結(jié)合。我們的著陸器也是有四條腿，也有降落傘，但是我們四條腿的著陸器自身具有避障的模式，可以自主避障平移。這項技術(shù)是在探月工程里面來做的，探月工程著陸器在100米懸停的時候，在50×50米的區(qū)域，可以在250毫秒內(nèi)對月表區(qū)域進行三維拍照，然后找一個平坦的區(qū)域平移降落下去。嫦娥四號能夠成功的落在月球的背后，月球背后的情況我們事先并不知道，因為月球背后隕石撞擊坑非常多，由于有了這項技術(shù)，地形不管多么復雜，都可以進行自主避障。2020年中國火星探測計劃，用了嫦娥奔月的技術(shù)，再加上載人航天返回大氣層的降落傘減速兩項技術(shù)的結(jié)合。

　　火星表面的元素探測

　　NASA“好奇號”上面搭載了α粒子X-射線光譜議，用激光槍擊打物體的表面，做巖石礦物質(zhì)成分的測量，主要來確定是否有水，是否有適合于生命存在的環(huán)境。中國的“玉兔一號”月球車跑了沒多少米，“玉兔二號”到目前就跑了100多米。在火星上跑的時間最長的火星車已經(jīng)有六年了，就是NASA “機遇號”火星車，它跑了45公里，在遭遇一次巨大的沙塵暴以后，最后宣布它的任務終結(jié)。

                                    

　　我們國家的著陸器上面搭載了很多設備，一共有30公斤的有效載荷。我們課題組研究的是物質(zhì)成分探測儀，在上面占了16公斤，個頭非常大。其他的還有導航相機，氣象站等一些測量設備。

　　物質(zhì)成分探測儀是用來做什么的？它是用激光聚焦石頭局部，氣化產(chǎn)生等離子體（等離子體是原子里的外層原子擺脫原子核束縛成為自由電子，是一個電離的過程），等離子體在冷卻過程中會輻射出原子光譜，原子光譜代表這個元素的“指紋”。只要能測到等離子體冷卻過程中產(chǎn)生的光譜曲線的位置，就能知道它代表什么元素，信號的強度能夠反映元素的含量。這就是激光誘導等離子體光譜技術(shù)。元素周期表里面絕大部分元素都能測，一次激發(fā)就能同時探測多種元素。

　　除了用激光激發(fā)物體元素以外，還有被動的短波紅外光譜測量。被動的短波紅外光譜測量通過光譜分析進行分子層面的測量，可以測化合物的成分。

　　這個儀器上面有一個二維指向鏡，可以搖頭擺尾到處看。我們的月球車上面的光譜儀裝在車上動不了，最后是車到哪里只能看哪里，玉兔一號的車輪子壞了停在那里，最后只能永遠看一個地方。我們在火星車上面弄一個可以動的鏡子，這樣哪怕火星車不動了，還可以到處看。這個黑色的里面是一個望遠鏡系統(tǒng)，里面還有激光器，最后有個定標板。跟美國相比我們少了一個拉曼測量的功能。

                                     

　　火星探測是由環(huán)繞器與火星車相結(jié)合，我們要進行星地的聯(lián)動探測。也就是說在環(huán)繞器上還要再裝一個光譜議，和火星車上的主被動結(jié)合，兩個進行比對測量。在環(huán)繞器上裝了一個火星礦物光譜分析儀，是一臺推帚式的分子光譜探測設備。這個光譜探測設備能夠提供多個波段的光譜信息，還有一個圖像信息。

　　光譜測量能發(fā)現(xiàn)什么？我們以嫦娥四號為例說明。假如說月球是個白煮蛋的話，蛋白里到底裝了什么？實際上大型的固態(tài)天體都存在這樣的問題�？茖W家假設月幔和地幔是一樣的，那么里面應該有橄欖石存在。嫦娥四號的著陸點非常巧，首先我們選擇了一個艾特肯盆地，這是最古老的撞擊盆地之一，同時落的那個地方馮·卡門撞擊坑是個二次撞擊坑，所以它有機會通過隕石的撞擊，把月幔里深層的物質(zhì)拋射到月球的表面。也非常巧，玉兔二號正好降落到了這個區(qū)域，通過對兩個探測點土壤的光譜探測，獲得的數(shù)據(jù)顯示嫦娥四號著陸區(qū)的月壤物質(zhì)中，橄欖石相對含量是最高的，低鈣輝石次之。我們在實際數(shù)據(jù)采集上面第一次證明了科學家的預測，有新聞稱中國發(fā)現(xiàn)了美國阿波羅計劃都沒有發(fā)現(xiàn)的一個新的科學發(fā)現(xiàn)。

　　我國的深空探測

                                    

　　我國在2020年前已經(jīng)通過嫦娥一號到嫦娥四號以及今年的嫦娥五號的發(fā)射，將實現(xiàn)對月球的“繞”、“落”、“回”第一個三部曲。在2020年以后2030年前，我們國家將要進行月球南極極區(qū)資源的開發(fā)利用。上個月特朗普給美國NASA增加16億重返月球的經(jīng)費需求，在2024年前美國要重返月球，要把第一個女宇航員送到月球，送到月球的南極極區(qū)。

　　為什么要去極區(qū)？在月球的極區(qū)，由于是永久陰影區(qū)，外來隕石帶來的水都儲存在那里，沒有揮發(fā)掉，是固態(tài)水，所以大家都想到極區(qū)建一個永久的實驗站，在那里能夠支持我們的基本物質(zhì)需求。我們國家在2030年前要實施月球極區(qū)資源開發(fā)利用實驗，中間要有好幾個實驗，我們要去探測月球南極，然后再降到月球南極，再把無人的裝備裝上去，在2030年之前主要還是進行無人的科學考察，但是在后期會考慮有人的實驗。

　　第二條線就是在深空探測這條線，我們不能只關(guān)心月球，月球離地球太近了，火星是最適合改造成人類居住的星球，所以我們在2030年前還有兩次火星的探測任務，還要把火星的樣本從火星帶回地球。還有一個就是小行星，小行星帶是阻礙地球沖出太陽系的障礙，但是小行星帶富含資源。打個比方，鉑金是非常貴重的，但是科學家經(jīng)過遠距離天文觀測，認定有個別小行星全是鉑金，如果全是鉑金的小行星被拖回地球的話，可能咱們的戒指都不值錢了，而且有的小行星還富含水，所以小行星探測、采樣是目前深空探測的熱點，日本在這方面做的比較好。我們國家在2030年前應該有一次小行星的探測計劃。

　　另外我們有個夢想，就是要飛出太陽系，我們要進行一次木星穿越�！读骼说厍颉防锩姘涯拘钦�了，我們在炸之前先要看一看，然后穿越木星，看看太陽系的邊緣。這個是我們國家在2030年前的三個重要的深空探測計劃。

　　我們中國人在航天技術(shù)方面，是個后起者，東方紅一號，1970年發(fā)射到現(xiàn)在短短的50多年。但是近些年隨著深空探測整個計劃的發(fā)展，我們中國人走向宇宙的號角也越來越響了。

                                     

　　我想人類探索未知的愿望，有非常大的激情。宇宙到底是怎么起源，怎么消亡的，我想無論結(jié)果如何，人類的勇氣和堅毅都將被鐫刻在星空下。