火星探测，那些少为人知的事

　　北京时间2021年5月15日7时18分，“天问一号”着陆巡视器成功着陆火星，我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。人类的火星探测走过了怎样艰辛的旅程?近日，中国科学院地球化学研究所月球与行星科学中心研究员、中国首次火星探测任务预先科学研究团队成员赵宇在“深圳市民文化大讲堂”上为大家讲述了火星探测的故事。

　　“天问一号”是中国行星探测的第一个任务，它的目的地是火星。随后的“天问二号”“天问三号”不仅有针对火星的，而且还会去其他的行星进行探测。未来10年，中国在行星探测领域有很多新的任务，已经列入国家的发展规划。我们的征途是星辰大海，虽然任务艰巨，但未来可期!——赵宇鴳

　　“天问一号”的火星之旅

　　“天问一号”是我国独立开展行星探测的第一步，通过一次发射实现对火星的“绕、着、巡”，即火星环绕、火星着陆、火面巡视，这是世界航天史上还没有过的先例。

　　2020年7月23日，“天问一号”在中国文昌航天发射场由长征五号运载火箭发射升空，开启了奔向火星的征程。“天问一号”整体大约有5吨重，和助推器分离后，它飞往火星的速度非常快，为每秒30公里左右。在飞行了约4.75亿公里后，“天问一号”于2021年2月10日成功进入火星轨道，并且拍回了照片。

　　“天问一号”着陆巡视器在确定了着陆区域后，开始着陆。整个降落的过程约需8分钟，完全靠“天问一号”自己操作完成。它自己打开降落伞，悬停在空中，自己拍摄周围环境，看哪里最安全，然后再降落下去。一切就绪后，“祝融号”火星车从着陆平台上行驶下来，开始对火星表面进行巡视探测。整个火星车的设计寿命为90个火星日。

　　“天问一号”探测器主要包括两个部分，一个是环绕器，一个是着陆巡视器。

　　环绕器本身是一个超级科研能手，携带着可以探测火星近邻空间的多种科学仪器。它可以对火星表面拍照，对火星表面的矿物质进行探测，还可以探测火星周边的磁场以及火星内部的结构。

　　“祝融号”火星车带着6台载荷。它有一双“眼睛”，就是一个多光谱相机。它有一个火星表面成分探测仪，这个仪器可以发射激光，对它周边5米—7米的目标进行物质成分探测。火星车没有机械臂，它就是通过激光进行远程探测。它还带着一个次表层探测雷达和一个火星表面磁场探测仪，可以和环绕器携带的科学仪器相互验证。这是“天问一号”的一个重要特点——能够开展天地协同的探测。此外，火星车还带着一个气象测量仪，找路时可以知道温度、压力、风速等信息。“祝融号”火星车看上去很可爱，实际上它有1.85米高，重量达240公斤左右。

　　和世界上已有的火星车与探测器相比，“天问一号”这次去火星时所携带的仪器非常先进，而且，天地协同的观测可以对火星表层和内部进行全面探测，所以我相信，“天问一号”一定会给我们带来很多新的发现。

　　探测火星的四个研究主题

　　再来介绍火星的基本情况。

　　火星距离太阳比地球距离太阳要远，它的每一年大概是我们的两年。它自转的一天，比地球大约长40分钟。火星比地球小，比月球大，它的质量大约是地球的1/10，我们希望通过对它的研究，了解大小不同的天体是怎样演化的。

　　目前，我们对火星内部的了解非常少，我们推测它应该和地球一样有地幔、地核。因为火星的大气非常稀薄，约是地球的1%，所以它的平均温度比地球低很多。地球的平均温度为14摄氏度左右，火星则是零下63摄氏度。在这样的温度下，二氧化碳会冻结成干冰保存在火星表面。

　　火星有一个很大的特点，即南北二分性。火星的整个南半球多是较高的高地，上面坑坑洼洼，说明南半球的历史比较久远。而北半球看起来比较低平，表面平坦，颜色呈深蓝色，是一片年轻的大陆。这种南北二分性出现的时间非常早，很可能在它形成的前几亿年就已经完成了。

　　火星和地球一样有分明的四季，因为它的自转轴也有一个倾角，所以火星也有春分、夏至、秋分和冬至。火星公转的轨道是椭圆形的，在靠近太阳的时候得到的光照和热量多，在远离太阳的时候得到的光照少。火星南北半球的环境有很大差异，火星的南半球有更强烈的温差变化。

　　我们把火星的生命阶段分成几个部分。一是现在的火星，也就是我们现在看到的样子。火星表面几乎没有液体水，因为压力和温度非常低，所以水不能以液态的形式存在。二是过去30多亿年间的火星，我们把它分为亚马逊纪和西方纪，那时候的火星有冰川和间歇性火山活动。三是更早年代的火星。那时候的火星是有磁场的，可能有很多火山岩浆的活动，还可能有海洋，由于外来的猛烈撞击造成地形的巨大变化。这是我们科学研究最感兴趣的阶段，因为地球也有一段缺失的历史，而火星给我们提供了一个样本，这也是我们探测火星的原因之一。

　　今天，我们探测火星，主要是围绕四个研究主题：一、火星上到底有没有生命;二、如果火星的气候原来和地球一样，那为什么现在变成了一个不适合生命存在的星球;三、它是怎么演化的;四、如果我们要去火星的话，怎样才能保证宇航员的安全。这些就是我们的工作目标。

　　火星上到底有没有“小绿人”

　　火星一直是一个谜一样的行星，19世纪后期至20世纪前期，“火星运河”“火星人”等一度被传得沸沸扬扬，当时很多美国人认为火星上一定有火星人，还把它命名为“小绿人”。继苏联发射一系列“火星号”探测器登陆火星连连受挫后，美国启动了“海盗号”火星探测计划。

　　1975年8月20日和9月9日，美国发射了两个火星探测器，分别命名为“海盗1号”和“海盗2号”，并于1976年在火星表面软着陆成功。它们的主要任务就是探测火星上有无生命。

　　为什么我要重点介绍“海盗号”探测器?一是因为它们是第一个成功着陆火星并发回大量数据和照片的探测器。二是因为它们和“天问一号”非常相像，也是包括一个轨道飞行器和一个着陆器。

　　“海盗1号”当时着陆的地方叫克里斯平原。为什么要在这里着陆?因为这个着陆地点的旁边是很大的峡谷，科学家认为这里很可能有水存在。但是，“海盗1号”没有找到水，看到的都是火山形成的岩石。“海盗1号”和“海盗2号”的着陆器都是不能移动的，主要靠机械臂挖取周边的土壤样品进行分析，使我们知道地球上的很多陨石是从火星上来的。“海盗号”还测量了火星的大气成分。

　　“海盗2号”降落的地方是乌托邦平原，也就是“天问一号”这次着陆的区域。它着陆的地方比“天问一号”的纬度更高一些，气候也更冷一些。和“海盗1号”一样，它着陆后发现周围都是大块的岩石。由于它所处的位置纬度较高，所以有了一个惊喜的发现。天气开始转冷的时候，它发现每天早上火星表面都会出现冰霜。这说明火星的大气里是有水的，水主要以霜的形式出现。等到太阳出来后，霜就会蒸发到大气中去。

　　“海盗号”当时在火星上做了一些探测生命的实验。它直接探测火星土壤里的碳，结果发现碳的含量非常低。它还做了3组培养实验，分别在土壤里放入气体或营养液进行培养，看土壤里有没有微生物或有机物，最后也没有任何发现。

　　从那以后，人们对于火星探测的热忱降低了不少。

　　几代火星车的探索与发现

　　直到20年之后，才有另一个火星探测器抵达火星。

　　1996年12月4日，美国发射了“探路者号”探测器，于1997年7月4日在火星表面着陆。它携带的“索杰纳号”火星车，是人类送往火星的第一辆火星车。它仅有微波炉大小。

　　这辆火星车着陆后只能在离着陆器12米的范围内不停移动。它总共移动了100米左右，分析了16个采集的样品。这些样品对我们了解火星岩石的成分有很大帮助。

　　经过前几次火星着陆，科学家对火星探测的策略重新做了调整。2003年，美国“火星探测漫游者计划”的任务是“寻找水”，希望从寻找水和寻找生命宜居的环境入手进行探测。

　　“火星探测漫游者计划”先后将“勇气号”和“机遇号”两辆火星车送往火星。这两辆火星车均带有全景照相机，可以拍摄着陆点的全景照片。火星车上有一个机械臂，附带打磨和探测的工具。它一边走一边拍照，一旦选定探测目标，比如一块岩石，就会上前把石头表面打磨掉一层，并用携带的成分探测仪进行分析。它还有一个放大镜，可以拍摄非常清晰的照片。

　　“机遇号”火星车降落的地方叫子午线高原。根据遥感推测，这个地方有很强的赤铁矿的信号，而在地球上，赤铁矿通常是在有水的环境下形成的。“机遇号”火星车着陆后果然发现，这里很大一块区域都有赤铁矿，这说明这个地方原来很可能有水。“机遇号”火星车在着陆点附近找到了第一块火星上的陨石，它还带领我们看到了火星上的沉积岩。沉积岩上有溪流、地下水的活动痕迹。

　　“机遇号”火星车非常长寿，它的设计寿命只有几个月，但实际上它工作了14年，从2004年一直到2018年。

　　另一辆火星车“勇气号”着陆的地方叫古谢夫撞击坑。之所以选择这个地点，也是认为那里可能有水，但实际上并没有找到任何有水的证据。

　　不过，“勇气号”火星车后来走到一个叫本垒的地方，在岩石上找到了有水的证据。那里有一些形状奇特的石头，尤其是指突状的岩石，通常是在热泉的环境中形成的，说明这里曾经有过热泉的环境。此外，“勇气号”火星车还发现火星红色的土壤下有白色的物质，那是蒸发的盐类，这个地方原来也曾经是有水的。

　　2011年美国发射的“好奇号”火星车搭载着当时最先进的载荷，它的主要任务是探索火星宜居环境，包括寻找水和能源。它要找的水是可以维持生命的淡水，所以它选择降落在盖尔撞击坑，因为盖尔撞击坑很可能原来是个古湖。

　　“好奇号”火星车非常重，有1吨左右，它飞了八个多月后着陆火星。和之前的火星车很不一样的是，它是靠核能驱动的，所以它不需要依赖太阳能，这使得它的寿命很长。它有一个很复杂的机械臂，可以钻取样品，采样后自己进行分析。它还带有一个激光分析器，可以发射激光，在约5米开外的地方分析岩石成分。

　　“好奇号”火星车的一个重大发现，是它找到了证据，证明火星上曾经有流体水，而且这个水是淡水。此外，它在火星泥岩钻取的样品中，发现了一些比较简单的有机物。这些比之前的探测都进了一大步。

　　火星探测任务艰巨，未来可期

　　从1960年到2020年，全球共进行了47次火星探测。早期的时候，有2/3的火星探测都失败了。在20世纪六七十年代，发射的探测器经常找不到，不是偏离既定的轨道，就是因为各种原因失联，或者发生事故而损毁了。一直到20世纪90年代以后，随着火星探测技术越来越成熟，火星探测的成功率才有了显著提升。

　　火星探测的难点有很多，我仅以火星车的轮子设计为例，来说说火星探测是如何一步步往前发展的。前面我们讲到，火星车的体积越来越大，所以它的车轮也越来越大。火星车的车轮不能像地球上那样用橡胶制作，因为橡胶无法适应火星极端寒冷的环境。所以，车轮必须用金属材料，而且要轻，还要有很强的硬度。之前的“机遇号”“勇气号”火星车都发生了陷在软沙里不能动弹的事故，因此后来的“好奇号”火星车专门做了改进，增加了抓地力。但是，“好奇号”火星车的轮子又出了问题，被火星上遍地都是的坚硬的岩石戳了许多个洞，破损严重。2021年2月19日着陆火星的“毅力号”，作为美国最新一代的火星车，车轮在“好奇号”火星车的基础上又做了革新，采用新型的记忆合金轮胎，车轮进一步加厚了，用于应对尖锐的岩石，能够轻松跨越崎岖的地形。记忆合金材质的一个优点是，当遇到尖锐物品时，它不会完全变形，而是有一定的弹性，可以保证火星车的安全行驶。

　　最后，让我们一起展望中国行星探测的未来。我们整个的行星探测被称为“天问”系列，“天问”系列的任务包括开展火星探测、火星的采样并返回以及木星系探测等等。“天问一号”是中国行星探测的第一个任务，它的目的地是火星。随后的“天问二号”“天问三号”不仅有针对火星的，而且还会去其他的行星进行探测。未来10年，中国在行星探测领域有很多新的任务，已经列入国家的发展规划。我们的征途是星辰大海，虽然任务艰巨，但未来可期!(记者徐蓓整理)