近日，我國(guó)公布2030年左右將實(shí)施火星采樣返回任務(wù)。與此同時(shí)，印度與俄羅斯聯(lián)合規(guī)劃火星探測(cè)，歐空局也提出了未來(lái)載人登火目標(biāo)。一時(shí)間，各國(guó)規(guī)劃涌現(xiàn)，預(yù)示著火星探索新高潮為期不遠(yuǎn)。那么未來(lái)火星探索將關(guān)注哪些新目標(biāo)？為此，各國(guó)航天人需要研發(fā)和應(yīng)用怎樣的新技術(shù)，以便克服新挑戰(zhàn)呢？

火星生命萬(wàn)眾矚目

(資料圖片)

火星探測(cè)計(jì)劃肇始于1960年，在經(jīng)歷了20世紀(jì)60~70年代的狂熱和80~90年代的沉寂后，在21世紀(jì)初再度迎來(lái)了一波探測(cè)高潮。目前，來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、歐空局、阿聯(lián)酋等各方的9個(gè)火星探測(cè)任務(wù)正在進(jìn)行中。而從各國(guó)和機(jī)構(gòu)的最新火星探測(cè)計(jì)劃來(lái)看，未來(lái)國(guó)際航天界將在火星生命探測(cè)、火星采樣返回、火星衛(wèi)星探測(cè)、火星演化歷史和載人登陸火星等5個(gè)方面開(kāi)展重點(diǎn)攻關(guān)。其中，火星生命探測(cè)應(yīng)該是最吸引大眾關(guān)注的項(xiàng)目之一。

祝融號(hào)火星車（照片來(lái)源：國(guó)家航天局）眾所周知，火星位于太陽(yáng)系的宜居帶內(nèi)，是地球的“近鄰”，兩者同屬類地行星，體格、自轉(zhuǎn)周期、元素構(gòu)成等都非常接近。因此，在人類各文明的早期神話傳說(shuō)和近現(xiàn)代科幻作品中，火星文明和火星人都是永恒的主題。有趣的是，爭(zhēng)取發(fā)現(xiàn)火星生命也是火星探測(cè)的最初驅(qū)動(dòng)力，促使蘇聯(lián)和美國(guó)在航天時(shí)代伊始就投入大量資源到火星探測(cè)任務(wù)中。

如今，國(guó)外的“火星快車”“鳳凰號(hào)”“勇氣號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”“好奇號(hào)”等多次在火星表面發(fā)現(xiàn)了水、甲烷、地表含碳有機(jī)分子等生命支持要素。藍(lán)莓狀石頭和鵝卵石、古河流三角洲遺跡、火星南極地下液體沉積物（近似地下湖泊）等相繼被發(fā)現(xiàn)，印證了火星曾存在大量液態(tài)水的痕跡。甚至不時(shí)有研究者表示，在地球收集到的火星隕石上發(fā)現(xiàn)過(guò)疑似古老生命遺跡。

隨著航天技術(shù)進(jìn)步，新一代火星探測(cè)器搭載了更先進(jìn)的儀器，正在火星表面揭示更多支持火星生命曾經(jīng)存在的證據(jù)。根據(jù)已有的任務(wù)規(guī)劃，歐空局的羅莎琳德·富蘭克林號(hào)火星車的重要使命是挖掘地下2米深的火星土壤樣本，尋找微生物的潛在痕跡。這輛火星車以早年發(fā)現(xiàn)DNA分子結(jié)構(gòu)的英國(guó)女科學(xué)家命名，科學(xué)界對(duì)它的期待可見(jiàn)一斑。

歐空局的羅莎琳德·富蘭克林號(hào)火星車已多次推遲發(fā)射。（照片來(lái)源：歐空局）從另一個(gè)角度考慮，即使火星生命探測(cè)無(wú)果而終，人類對(duì)于火星環(huán)境的認(rèn)知仍會(huì)大大加深，從而有利于未來(lái)局部改造火星，支持載人登火活動(dòng)。

采樣返回群雄爭(zhēng)先

歷史上，火星探測(cè)經(jīng)歷了飛掠、環(huán)繞、著陸、巡視等任務(wù)演化過(guò)程，尤其是著陸和巡視任務(wù)直達(dá)火星表面，極大豐富了人類對(duì)火星的認(rèn)知。美國(guó)好奇號(hào)、毅力號(hào)火星車甚至攜帶了激光器和遠(yuǎn)距離化學(xué)成分分析儀器，可深入研究科學(xué)家感興趣的巖石樣本。

美國(guó)媒體公布的火星采樣返回方案示意圖。然而，類似先進(jìn)探測(cè)方式固然能夠顯著提升對(duì)火星樣本的研究能力，但激光沖擊和蒸發(fā)等必然對(duì)樣本造成破壞，可能會(huì)讓研究“失準(zhǔn)”。此外，火星車搭載的研究?jī)x器高度集成化、小型化，很難達(dá)到地球?qū)嶒?yàn)室內(nèi)級(jí)別的探測(cè)精度。在實(shí)際操作中，火星車還需要投入大量資源用于確保自身運(yùn)動(dòng)和通信等，對(duì)某個(gè)實(shí)驗(yàn)的資源分配極其有限，嚴(yán)重限制了科研成效。

因此，各航天大國(guó)都把火星采樣返回作為下一階段的重要目標(biāo)。例如，美國(guó)毅力號(hào)火星車已采集并封裝了多管樣本，拋放到火星表面。未來(lái)，西方新型火星著陸器、火星車、火星無(wú)人機(jī)等將密切配合，從火星表面發(fā)射樣本到環(huán)火軌道，經(jīng)在軌交會(huì)對(duì)接，實(shí)施火地轉(zhuǎn)移，通過(guò)一系列復(fù)雜的航天任務(wù)，力爭(zhēng)在2033年將火星樣本送回地球?qū)嶒?yàn)室。我國(guó)也明確了將在2030年左右開(kāi)展火星采樣返回任務(wù)。

如果科研人員認(rèn)為短期內(nèi)火星采樣返回難度過(guò)大，那么還有退而求其次的目標(biāo)——火星衛(wèi)星。

火衛(wèi)一福波斯和火衛(wèi)二戴莫斯被認(rèn)為很可能保存了大量火星系的古老演化片段，研究它們有助于深入揭示火星系的漫長(zhǎng)歷史。例如，這兩顆衛(wèi)星的來(lái)源在科學(xué)界一直有爭(zhēng)議。有觀點(diǎn)認(rèn)為，它們是被火星引力從太陽(yáng)系“俘獲”而來(lái)的。也有觀點(diǎn)卻認(rèn)為，火星被撞擊后向太空中拋灑大量物質(zhì)，部分殘余形成了這兩顆衛(wèi)星。

這兩顆衛(wèi)星的體量都非常小，較大的“福波斯”平均半徑也僅有11.2公里，自身引力場(chǎng)極弱，采樣返回任務(wù)難度明顯低于火星表面。

正因如此，蘇聯(lián)/俄羅斯曾投入海量資源到火星衛(wèi)星探測(cè)中，盡管多次采樣返回任務(wù)不幸失敗，但福波斯任務(wù)至今仍是俄羅斯火星研究重點(diǎn)。

與此同時(shí)，更多航天勢(shì)力瞄準(zhǔn)了這兩顆衛(wèi)星。比如，在小行星采樣返回領(lǐng)域頗有建樹(shù)的日本已開(kāi)啟了福波斯采樣返回、戴莫斯飛掠探測(cè)方案?；凇蚌励B(niǎo)1號(hào)”和“隼鳥(niǎo)2號(hào)”的成功經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)家對(duì)此期待很大。此外，加拿大航天局通過(guò)與商業(yè)航天力量合作，計(jì)劃開(kāi)啟火衛(wèi)一偵查和國(guó)際火星探測(cè)任務(wù)，爭(zhēng)取加深對(duì)火星衛(wèi)星的認(rèn)知。

揭示歷史造福人類

毫無(wú)疑問(wèn)，在火星采樣返回任務(wù)成功后，借助地球上的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)室和專業(yè)設(shè)備，人類對(duì)火星樣本的研究效率必將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)火星車，這就為進(jìn)一步揭示火星演化歷史提供了可能。

事實(shí)上，研究火星演化歷史對(duì)于人類加深認(rèn)知地球有著無(wú)法取代的作用。越來(lái)越多研究表明，火星曾擁有大量地表水、較稠密空氣和一定含量的有機(jī)物，但如今已變成荒涼星球。尤其是磁場(chǎng)近乎消失，導(dǎo)致整個(gè)行星喪失庇護(hù)，水和大氣快速流失，再無(wú)孕育復(fù)雜生命的可能。

近年來(lái)，MAVEN“大氣專家”、ExoMars/TGO微量氣體探測(cè)器、洞察號(hào)著陸器等國(guó)外任務(wù)聚焦于火星演化歷史，從高層大氣解析到地質(zhì)內(nèi)核研究，力爭(zhēng)全方位揭示火星現(xiàn)狀背后的科學(xué)秘密。

放眼未來(lái)，更先進(jìn)的探測(cè)器、更精密的儀器、更強(qiáng)大的通信能力都將顯著提升采集火星數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量，從細(xì)節(jié)中尋找更多蛛絲馬跡。比如，歐空局ExoMars系列將搭載更先進(jìn)的微量氣體和有機(jī)物探測(cè)儀、地下雷達(dá)等設(shè)備，立體化揭示火星的秘密，進(jìn)而對(duì)照深入研究條件類似的地球。

正如先賢所言，人類不可能永遠(yuǎn)生活在地球“搖籃”里，對(duì)火星環(huán)境和演化規(guī)律有比較充分的了解之后，載人登陸火星，建立“火星家園”，堪稱火星探測(cè)的遠(yuǎn)大目標(biāo)，必將成為人類航天史的不朽里程碑。

不過(guò)，基于當(dāng)前的航天推進(jìn)系統(tǒng)、太空運(yùn)輸系統(tǒng)、空間輻射防護(hù)與生命維持系統(tǒng)等技術(shù)水平，載人登陸火星仍面臨很多困難。比如，漫長(zhǎng)的任務(wù)時(shí)間必將導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模龐大，對(duì)工程技術(shù)安全及航天員身心健康都會(huì)產(chǎn)生不少隱患。

因此，載人登火若想成真，還需要取得諸多革命性進(jìn)步，有必要在以航天科技為代表的工程技術(shù)、以行星科學(xué)為代表的理論科學(xué)、以組織社會(huì)學(xué)為代表的人文科學(xué)等方面全面突破。

具體而言，從重型火箭和新概念航天動(dòng)力研發(fā)到火星土壤模擬，從火星著陸技術(shù)升級(jí)到航天醫(yī)學(xué)進(jìn)展，從航天員選拔優(yōu)化到較長(zhǎng)時(shí)間隔絕環(huán)境下的心理學(xué)研究，有待突破的技術(shù)幾乎涉及當(dāng)代各個(gè)學(xué)科的前沿領(lǐng)域。

面對(duì)龐雜的需求和艱巨的任務(wù)，航天科技發(fā)展模式很可能也會(huì)發(fā)生變化，不僅要集中核心資源，攻克關(guān)鍵難題，還要積極引導(dǎo)并融入全社會(huì)各行各業(yè)的優(yōu)質(zhì)資源，共同推動(dòng)偉大事業(yè)。

必須承認(rèn)的是，現(xiàn)有技術(shù)距離載人登陸火星還相差甚遠(yuǎn)，但國(guó)際航天界正把它作為一個(gè)清晰明確的發(fā)展目標(biāo)，扎實(shí)推進(jìn)。也許，到21世紀(jì)中葉，人類就有望登上火星，實(shí)現(xiàn)從“地球物種”到“行星際物種”的偉大轉(zhuǎn)變。（作者：史瓦西）

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