火星，我們來了！

尹懷勤

6月20日和26日，美國科學(xué)家分別宣布，“鳳凰”號火星著陸探測器發(fā)現(xiàn)，火星北極確實存在冰凍水，當?shù)赝寥赖膲A性環(huán)境與地球上某些區(qū)域相似，符合種植蘆筍等作物的要求。這兩項成果引起人們的廣泛關(guān)注和極大興趣。這標志著人類在探測火星征途上又邁出了重要一步，這也意味著火星離我們又近了一些。

從1960年到現(xiàn)在，人類共向火星發(fā)射了38個探測器，成功率僅為50％，這么多的失敗經(jīng)歷，不僅沒有打消反而更激起了人類對火星的憧憬與向往。人類之所以如此關(guān)注火星，是因為它是太陽系中與地球類似之處最多的行星，它寄托了人類在地球以外發(fā)現(xiàn)生命的厚望，它有可能成為人類的第二家園以及人類飛出太陽系的踏板。

人類探索火星的歷程

火星是顆外殼為固體的行星，距離太陽2.279億千米，約為地一日距離的1.52倍，繞日公轉(zhuǎn)1周需687天。它的赤道半徑為3397千米，體積是地球的15％，自轉(zhuǎn)周期為24小時37分23秒，僅比地球自轉(zhuǎn)周期長41分鐘。有趣的是，火星也像地球一樣側(cè)著身子繞日公轉(zhuǎn)，因此火星一年也有春夏秋冬四季變化。同時，它還有兩顆天然衛(wèi)星。由此可見，火星環(huán)境最接近地球，是被科學(xué)家認為最有可能存在生命的星球。正因如此，人類進入空間時代以后，就把火星選作探測地外行星的第一目標。航天器飛向火星的活動不僅起步早和次數(shù)多，而且探測成果最為顯著，也為探測其他行星積累了經(jīng)驗。

從1960年到現(xiàn)在，人類共向火星發(fā)射了38個探測器，其中蘇聯(lián)／俄羅斯18個，美國18個，日本1個，歐洲空間局1個。在19個成功對火星進行探測的航天器中，有5個飛掠火星，7個成為火星的人造衛(wèi)星，7個著陸火星。它們獲得的照片和探測數(shù)據(jù)傳回地球后，成為人類認識火星及其周圍環(huán)境的依據(jù)。航天器就近觀測火星和實地勘察火星，大大豐富了人類對火星的認識，并加強了科學(xué)家們派人登臨火星的決心，以徹底揭開其神秘面紗。

向行星發(fā)射航天器可選用多種飛行路線。為了節(jié)省能量，通常采用初始速度最小的飛行路線，并將其稱為最佳軌道。最佳軌道只有1條，對包括火星在內(nèi)的外行星來說，這就是外切于地球公轉(zhuǎn)軌道、內(nèi)切于目標行星公轉(zhuǎn)軌道的雙切式橢圓軌道：對水星和金星兩顆內(nèi)行星來說，這就是內(nèi)切于地球公轉(zhuǎn)軌道、外切于目標行星公轉(zhuǎn)軌道的雙切式橢圓軌道。它是奧地利科學(xué)家霍曼于1925年提出來的，故又稱霍曼軌道?；袈壍离m可節(jié)約火箭能量，卻因速度小而使飛行時間較長，航天器從地球到達火星需要奔馳259天。

由于地球和火星都在繞日運行，兩者的相對位置不斷發(fā)生變化。當太陽、地球、火星處于同一條直線上時，稱為相沖。兩次相沖間隔的時間叫做會合周期。顯而易見，在一個會合周期內(nèi)地球、火星及太陽三者之間的每一種相對位置只能出現(xiàn)一次，故對選定的霍曼軌道來說，每一個會合周期內(nèi)只有一次有利的發(fā)射時機。火星與地球的會合周期為780天即26個月，因此每26個月才有一次沿霍曼軌道發(fā)射航天器的發(fā)射窗口。

在向火星發(fā)射的38個航天器中，“鳳凰”號排在末位，是最新型的一科，火星探測器。目前，有6個航天器正在對火星進行探測，其中有美國的“奧德賽”號、“火星偵察軌道器”和歐空局的“火星快車”3個軌道器，有美國的“勇氣”號、“機遇”號和“鳳凰”號3個著陸器。

“鳳凰”探秘火星北部

美國當?shù)貢r間5月25日16時38分，“鳳凰”號探測器成功降落在火星北緯68度的接近北極地區(qū)，位置相當于地球上的加拿大北部?！傍P凰”號因而成為人類第一個在地球的外鄰星最北地區(qū)著陸的航天器。

2001年4月27日美國發(fā)射的并于同年10月24日進入環(huán)火星軌道運行的“奧德賽”號探測器，曾于2002年在火星北緯65度以北地區(qū)發(fā)現(xiàn)大范圍凍水層存在的證據(jù)，凍水層位于火星表面之下約0.5米處?！傍P凰”號就是奔著這片凍水層而去的，計劃開展為期3個月的探測活動。研究人員希望它能挖掘火星土壤樣本，尋找可能存在的冰層，并分析土壤中是否存在有機物，以判斷火星現(xiàn)在或過去的環(huán)境是否適宜生命存活。如果找到了水和發(fā)現(xiàn)了有機物的線索，那就是對火星探測的一個重大貢獻。

為了實現(xiàn)上述探測目標，“鳳凰”號攜帶著7種科學(xué)儀器設(shè)備。一是用鋁鈦合金制成的機械挖掘臂。它長達2.35米，可以挖到火星地表之下半米深的土壤，并將樣本傳送到兩臺分析儀器中；二是機械臂照相機。它安裝在機械臂末端的挖掘鏟上，可以拍攝土壤以及其中冰的特寫圖像；三是熱量和釋出氣體分析儀。它有8個微型烤箱，可將土壤樣本加熱，并測量隨著溫度上升樣本中的水蒸氣、二氧化碳及揮發(fā)性有機物的變化：四是顯微鏡以及電化學(xué)和傳導(dǎo)性分析儀，顯微鏡主要用于分析礦物顆粒樣本，電化學(xué)分析儀用于研究一些化學(xué)特性，如是否有溶解的鹽分存在、土壤酸堿度等。位于機械臂上的傳導(dǎo)探測器則可檢查土壤的熱量及電傳導(dǎo)特性：五是立體照相機。它可拍攝著陸位置地形的高清晰度、彩色、立體圖像；六是氣象儀。它由加拿大航天局提供，可以檢測火星大氣層的塵埃、溫度等變化；七是火星降落成像儀，它可在著陸吋動態(tài)拍攝火星著陸位置的地質(zhì)情況。

這些儀器采用了很多成熟的技術(shù)成果，包括1999年著陸火星后失去聯(lián)系的“火星極地登陸者”和原定2001年發(fā)射后來又被取消的“火星勘測著陸器”所攜帶的或經(jīng)改進的部分裝置。正因如此，“鳳凰”號探測器的成本相對較低，這是美國航宇局執(zhí)行名為“偵察”的低成本火星探測計劃以來發(fā)射的首個探測器。

“鳳凰”號碩果累累

作為一個固定的火星登陸器，“鳳凰”號以幾近完美的方式完成了著陸任務(wù)并于2小時后傳回第一批火星圖片。

5月31日，“鳳凰”號伸出機械臂末端的挖掘鏟首次進行試挖，在火星泥土上留下了一個類似人類腳印的痕跡。這第一次接觸火星的成功為之后的采集土壤和向其他科學(xué)儀器傳送土壤樣品做好了準備。

6月5日，美國航宇局展示了“鳳凰”號利用光學(xué)顯微鏡拍攝的火星表面塵埃顆粒的高清晰度照片。其中一些顆粒小到人類頭發(fā)直徑的十分之一。照片中的塵埃顆粒大小各異、色彩斑斕，顏色涵蓋了從半透明白色到純黑色的色譜。研究人員認為，一個色澤光亮發(fā)白的顆?？赡苁躯}，不大會是冰。因為那樣小的冰顆粒會在拍照之前融化。但鹽同樣引人注目，因其通常分布在冰的周圍。

6月12日，“鳳凰”號傳回的圖像顯示，它的機械臂已經(jīng)成功地把火星土壤樣本撒到了光學(xué)顯微鏡的樣本盤上。顯微

鏡上的土壤樣本大致呈橘紅色，里面有一些綠色顆粒，可能是橄欖石，這種礦物質(zhì)與火山噴發(fā)有關(guān)。“勇氣”號火星車先前在火星上發(fā)現(xiàn)過橄欖石。土壤樣本里還含有黑色圓形玻璃狀顆粒，可能是火山玻璃。

6月15日，“鳳凰”號機械臂挖掘鏟在著陸點西北角挖出一個大約5厘米深的溝，發(fā)現(xiàn)了約8個明亮的小碎塊。這些碎塊16日時還存在，但到18日卻蒸發(fā)不見了。研究人員說，此一現(xiàn)象表明，原來的明亮碎塊就是掩埋于一層薄土之下的水冰，當其暴露于空氣中時逐漸被蒸發(fā)掉了?！傍P凰”號著陸點目前白天溫度約為-32℃，晚間是80℃。在火星稀薄的大氣中，水的沸點僅為4℃，很容易蒸發(fā)，而二氧化碳需要在-125℃以下才能變成固態(tài)的干冰，鹽則不會蒸發(fā)，這就排除了明亮碎塊是干冰或鹽的可能性。據(jù)此，6月20日，“鳳凰”號探測項目首席科學(xué)家彼得·史密斯在新聞發(fā)布會上宣布，火星北極確實存在水冰。

6月26日，美國科學(xué)家在新聞發(fā)布會上說，“鳳凰”號機械臂挖掘鏟在火星表面以下2.5厘米處采集到1立方厘米土壤，用儀器檢測其酸堿度即pH值。結(jié)果顯示，土壤溶液的pH值在8～9之間，呈堿性。同時，分析儀器還在土壤中檢測出鎂、鈉、鉀等元素和氯化物。分析表明火星北極土壤沒有毒性，地球上類似土壤環(huán)境適合種植蘆筍、青豆等作物，喜好化學(xué)物質(zhì)的細菌也適合在其中繁殖。不過，火星土壤中沒有檢測出碳元素和有機物。新發(fā)現(xiàn)只是增加了火星北極平原具有適宜原始生命存活的條件。

不言而喻，“鳳凰”號今后在火星上還會有新的發(fā)現(xiàn)。在結(jié)束預(yù)定90天的火星表面探測任務(wù)后，它將啟動所攜的氣象儀，用激光雷達和溫度壓力測量裝置監(jiān)測火星大氣層的變化情況，記錄火星北極每天的天氣狀況。顯而易見，“鳳凰”號對火星表面和大氣層的探測，都將為探索人類登陸火星的可能性提供有用的科學(xué)數(shù)據(jù)。

展開“火星生命計劃”

探測火星有無低級生命、將來能否成為人類的第二家園，原是發(fā)射航天器奔赴這顆暗紅色星球的初衷。而有無生命跡象，就要看火星上面是否存在適宜的空氣、溫度和水分。研究航天器傳回地球的資料可知，火星大氣稀薄干燥，變化莫測，氣壓僅為地球的0.s％，主要成分是占95％的二氧化碳和占3％的氮，水含量僅占0.03％。火星云層主要成分是二氧化碳凝結(jié)成的干冰。火星經(jīng)常發(fā)生比地球上規(guī)模還要大的沙塵暴。1976年7月20日和9月3日先后著陸火星的美國“海盜1”號和“海盜2”號探測器測得所處位置的溫度在26℃～-54℃之間，可以存活低級生命，但沒有發(fā)現(xiàn)生命。

航天探測表明，火星除兩極極冠有冰層和高緯度地區(qū)地表下面有永凍冰層外，其他地區(qū)都沒有水。雖然有些地形顯示曾被水流沖刷，但都處于干涸狀態(tài)。美國科學(xué)家們研究傳回地面的大量照片發(fā)現(xiàn)，火星表面曾出現(xiàn)一些新的深谷和滑坡，這只有在地下有大量滲水流動的情況下才可能形成。他們預(yù)計，地下水儲存在火星表面以下100～400米的石層空洞之間。這一分析有待未來更進一步的探測加以證實。

實際上，發(fā)射“鳳凰”號僅是美國實施“火星生命計劃”的一個組成部分。按照1996年開始實施的該計劃規(guī)定，美國每隔26個月發(fā)射1至2個無人探測器，以確定火星上是否存在生命。在“勇氣”號和“機遇”號登陸火星之后，這個計劃的重點轉(zhuǎn)為探測火星上是否具備生命存活的條件。美國于2005年8月12日發(fā)射的“火星偵察軌道器”，是當今最大的人造火星衛(wèi)星，已在這方面進行了有益的探測，傳回了大量數(shù)據(jù)資料。

“勇氣”號和“機遇”號兩個火星車，原定工作90天，可4年半過去了，至今仍然漫游在靠近火星赤道的區(qū)域繼續(xù)開展探測工作。由此可見，“鳳凰”號的實際工作時間也會超過原定期限，在接近火星北極的固定地點作超期服役的就地探測。這3個著陸探測器已經(jīng)并將進一步為美國提供火星典型區(qū)域的科學(xué)數(shù)據(jù)，從而幫助科學(xué)家加深對火星的認識。

從已公布的信息來看，美國將于2009年或2011年發(fā)射“火星科學(xué)實驗室”著陸探測器，這種新一代火星車性能更為先進，它約有一輛吉普車大小，比目前仍在火星上工作的“勇氣”號和“機遇”號大幾倍，其穿行能力也將得到更多改善，可在陡坡上正常行駛。新型火星車將依靠核能來工作，取代目前火星車上使用的太陽能電池板，因而可大大增加漫游車的行程和使用壽命，提高其開展實驗活動如鉆探的能力。新型火星車最引人注目的是用“空間起重機”登陸，如果成功，將是著陸探測火星技術(shù)上的一次飛躍?！盎鹦强茖W(xué)試驗室”能對火星上一些“死角”進行考察，進一步探索火星上是否有生命存在。

美國力爭在2014年之前讓返回式航天器帶回第一批火星土壤和巖石樣本，供科學(xué)家直接進行分析研究，以完成“火星生命計劃”規(guī)定的任務(wù)。隨著“取樣返回”任務(wù)的完成，美國“火星生命計劃”也將結(jié)束。此后，美國將為載人火星探索做各種準備，以期最終實現(xiàn)載人登陸火星。

為人類登陸火星做準備

以美國為首的一些國家緊鑼密鼓地探測火星，都是為本世紀30年代實現(xiàn)派人登陸火星的目標做準備工作的。不難想象，在結(jié)束“火星生命計劃”之后，美國必將把多個性能更為先進的航天器送上火星，并實施多次的返回飛行，為開啟載人火星之旅進行探路。因為自2004年1月14日美國總統(tǒng)布什提出2030午后派人登陸火星的計劃后，美國航宇局就開始了相關(guān)研究工作，并準備把未來的載人登月航天器“奧賴恩”加以改進，使其成為載人登陸火星的航天器，打算在2031年實現(xiàn)載人登陸火星。

在布什宣布派人登陸火星計劃的同一天，俄羅斯高級官員就宣稱，如有經(jīng)費有保證，我能在10年內(nèi)將人送上火星。歐空局于2004年2月3日宣布的“曙光”火星探測計劃則稱，力爭在2033年實現(xiàn)歐洲航天員登上這顆紅色星球的夢想。實際上，俄羅斯和歐空局也已啟動送人奔向火星的某些項目的預(yù)先研究，并不排除他們捷足先登的可能性。

歐空局除單獨開展預(yù)研工作外，還分別與美、俄進行合作攻關(guān)。2004年2月6日，“火星快車”飛經(jīng)“勇氣”號探測的火星表面上空時，歐空局即通過前者向后者發(fā)送了信息，并收到了后者的反饋信號。這是歐美火星探測器首次進行聯(lián)系試驗，并獲成功。此舉無疑對將來雙方航天員登上火星后進行通信聯(lián)系有重要意義。與此同時，歐美還在研究航天員奔赴火星途中維持生命保障系統(tǒng)方面互相借鑒。依照歐俄合作計劃，雙方將于2008年末開展“火星-500”試驗，對載人火星飛行進行全方位的地面模擬。

不言而喻，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，將有越來越多的國家參加到探測火星和派人登陸火星的行列中來，只有航天員登上火星以后，才能確定人類將來能否移民火星。

(文章代碼：1502)

[責任編輯]龐云

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人類火星之旅面臨幾大難題

一是飛行動力的問題。由于火星之旅路途遙遠，除發(fā)射升空需要強大運載動力外，還需為飛船長途航行提供可靠的動力。同時，著陸火星后還要解決能源需求問題。目前的辦法是利用太陽能電池板，但其穩(wěn)定性仍令人擔憂，尚需考慮使用核能裝置。

二是人身保護和空氣、飲食供應(yīng)問題。航天員在乘船飛往火星過程中，太陽風暴和宇宙射線風暴常會持續(xù)數(shù)日之久，這就需要加強太空天氣預(yù)報能力和改進各種防護設(shè)備。同時，在路途上和到達火星后，都需要保證航天員對氧氣、飲水和食品的需要。

三是人體必須適應(yīng)新的環(huán)境問題。飛往火星途中，航天員長期處于微重力狀態(tài)，會出現(xiàn)肌肉松弛或骨質(zhì)變輕等太空綜合癥，而能活動的空間又很小，使這一問題更加嚴峻。另外火星的溫度、大氣、引力等問題，也是對人體的挑戰(zhàn)和考驗。

四是著陸火星和實時聯(lián)絡(luò)問題。飛船進入火星要經(jīng)過離軌、過渡、進入大氣層和軟著陸四個階段，盡管時間不長但危險性很大。由于地球與火星距離遙遠，無線電信號單程傳輸需要10多分鐘，故而航天員無法獲得地球控制中心的及時幫助，必須依靠飛船的自動控制設(shè)備和自己的知識、經(jīng)驗來解決遇到的問題。著陸火星后，還需要保證與地球的正常通訊聯(lián)系。