美國(guó)的火星計(jì)劃

美國(guó)的火星計(jì)劃作為人類最先進(jìn)的火星探測(cè)科學(xué)研究計(jì)劃，NASA的“火星2020”任務(wù)將開(kāi)啟一個(gè)全新的時(shí)代，新的火星車將攜帶地球上全新的、最尖端的7種武器探測(cè)火星的環(huán)境、氣候、地質(zhì)以及生物學(xué)的潛在價(jià)值，為2030年前將人類送上火星鋪平道路.在浩瀚的宇宙中，人類最終會(huì)擁有地外的第二生存空間嗎？今年12月８日,美國(guó)航空航天局（NASA)表示，“好奇”號(hào)火星車已成功破解火星夏普山的形成之謎。這是繼“好奇號(hào)”取得發(fā)現(xiàn)火星湖泊遺跡、顯示火星大氣以二氧化碳為主等科學(xué)探測(cè)成果之后的又一重要成果。2012年8月,“好奇號(hào)”成功降落在火星表面,開(kāi)啟其火星探測(cè)之旅.兩年多時(shí)間里，“好奇號(hào)"不斷傳來(lái)科學(xué)探測(cè)“捷報(bào)”,人類在火星知識(shí)得以不斷豐富的同時(shí)，也在密切關(guān)注美國(guó)進(jìn)一步的火星探測(cè)計(jì)劃。其實(shí),早在2011年NASA公布的《美國(guó)2013～2020行星探測(cè)十年規(guī)劃》中,就提出了未來(lái)十年火星探測(cè)的“新任務(wù)"—-火星采樣返回。今年7月31日，NASA在“好奇號(hào)"火星探測(cè)器成功著陸以及科學(xué)探測(cè)上不斷獲得新進(jìn)展的基礎(chǔ)上，又依據(jù)該10年規(guī)劃，公布了新一代火星探測(cè)器——“火星2020”搭載的科學(xué)有效載荷。“火星2020”正是火星采樣返回任務(wù)的開(kāi)路先鋒，它是否將開(kāi)啟人類火星探測(cè)的新模式，人類未來(lái)載人登陸火星是否因此初現(xiàn)曙光，人們無(wú)不期待謎底的揭曉。未來(lái)10年鎖定采樣返回“火星2020”是NASA火星探索計(jì)劃的一部分，這一計(jì)劃也包括了正在火星表面工作的“機(jī)遇號(hào)”和“好奇號(hào)"火星車,火星軌道上運(yùn)行的“奧德賽號(hào)”、“火星勘測(cè)軌道器"，以及今年9月下旬剛剛抵達(dá)火星的“火星大氣及揮發(fā)物演化探測(cè)器”。NASA表示，與以往的火星探測(cè)任務(wù)不同，“火星2020"任務(wù)中新一代火星車將搭載的7臺(tái)科學(xué)載荷，對(duì)火星進(jìn)行原位探測(cè),開(kāi)展地質(zhì)評(píng)估、分析火星遠(yuǎn)古生命的跡象及其環(huán)境潛在的宜居性。與此同時(shí),它還將收集巖石樣品，并將樣品用密封罐儲(chǔ)存起來(lái),放置于火星表面，以便被未來(lái)任務(wù)的航天器帶回地球?！睹绹?guó)2013～2020行星探測(cè)十年規(guī)劃》指出，未來(lái)10年的重點(diǎn)將是火星采樣返回任務(wù)，首先是巡視任務(wù)并收集和儲(chǔ)存樣品,然后提取樣品并返回地球?；鹦强茖W(xué)界普遍接受的觀點(diǎn)是，使用先進(jìn)的分析技術(shù)來(lái)深入分析返回的火星樣品，以高的回報(bào)率獲得有關(guān)火星系統(tǒng)的科學(xué)成果。圖1美國(guó)火星采樣返回三步走示意圖任務(wù)大致分3步來(lái)完成（圖1）。第一步由“火星2020”來(lái)完成,將發(fā)射一個(gè)火星車來(lái)收集和儲(chǔ)藏樣品，并放置于火星表面；第二步由未來(lái)發(fā)射的第二個(gè)火星探測(cè)器來(lái)完成,主要是提取第一個(gè)火星車放置于火星表面的樣品，并將樣品送入火星軌道；第三步將發(fā)射一個(gè)火星探測(cè)器用來(lái)“抓取”位于火星軌道上的樣品，并將樣品帶回地球。預(yù)計(jì)每次任務(wù)的間隔時(shí)間為4年.“火星2020”將利用現(xiàn)有“好奇號(hào)”平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，打造全新的火星車(圖2）。采用“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MarsScienceLaboratory)”中“好奇號(hào)”火星車已獲得實(shí)踐檢驗(yàn)的著陸系統(tǒng)和火星車經(jīng)典架構(gòu),以確保將任務(wù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)降到最低；在著陸前的最后幾秒鐘，將使用“太空起重機(jī)”實(shí)現(xiàn)成功著陸.“火星2020”探測(cè)任務(wù)將耗資19億美元，預(yù)計(jì)2020年7~9月?lián)駲C(jī)發(fā)射，工作壽命約為一個(gè)火星年（687個(gè)地球日），7臺(tái)更加輕量化的科學(xué)載荷研發(fā)成本約為1。3億美元，總重量為40千克。圖2“火星2020”火星車的結(jié)構(gòu)示意圖尋找生命、采集樣本“火星2020”將繼續(xù)以探尋火星表面過(guò)去乃至現(xiàn)在可能存在的生命信息,獲取風(fēng)化層、土壤、巖石、淺層結(jié)構(gòu)等綜合性的火星地質(zhì)特性信息，并開(kāi)展原位探測(cè)和巖石/土壤樣本采集返回.據(jù)此，“火星2020"計(jì)劃確定了兩大主任務(wù)：一是探測(cè)火星表面環(huán)境中潛在的宜居性和曾經(jīng)可能存在的生命痕跡；二是收集和存儲(chǔ)火星的巖石和土壤樣本,并對(duì)其物理與化學(xué)等背景信息進(jìn)行原位探測(cè).“火星2020”計(jì)劃提供了一個(gè)獨(dú)特的視角，可以“窺探”太陽(yáng)系中可能的宜居性。科學(xué)家也試圖在火星上進(jìn)行一系列技術(shù)驗(yàn)證，更加深入地了解火星塵埃和天氣對(duì)人類未來(lái)登陸火星可能造成的影響，以尋找能夠避免火星有害塵埃的方法；同時(shí)，也將研究能否利用火星上的資源制造出氧氣和火箭燃料，為未來(lái)人類登陸火星創(chuàng)造條件。如果真的能夠?qū)崿F(xiàn)在火星上實(shí)時(shí)制造氧氣，這將加快人類登陸火星的步伐?！盎鹦?020”的任務(wù)規(guī)劃是建立在其它火星任務(wù)取得的成就基礎(chǔ)上而設(shè)計(jì)的一次任務(wù).“機(jī)遇號(hào)”和“勇氣號(hào)”以及其它的火星探測(cè)器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的證據(jù)顯示，火星曾經(jīng)存在水，而“好奇號(hào)”的進(jìn)一步探測(cè)又獲取了火星過(guò)去的環(huán)境能夠支持微生物存在的一些證據(jù).“火星2020”將在“好奇號(hào)”最新成果的基礎(chǔ)上，開(kāi)展難度更大的、新的探索任務(wù)，進(jìn)一步探索其宜居環(huán)境以及尋找過(guò)去生命存在的信息。按照計(jì)劃，“火星2020”的后續(xù)任務(wù)將把巖心和土壤樣品帶回地球，繼而展開(kāi)實(shí)驗(yàn)室工作。通過(guò)樣品分析,才可以獲取火星是否曾在過(guò)生命等重大科學(xué)問(wèn)題的更加精準(zhǔn)而明確的答案?；鹦恰皩?shí)驗(yàn)室"的7種武器“火星2020"將搭載目前世界上最為先進(jìn)的從58份載荷方案中遴選出來(lái)的7臺(tái)(套）探測(cè)儀器,如同組建了一個(gè)全新的火星“實(shí)驗(yàn)室"，以獲取火星地質(zhì)、大氣、環(huán)境和潛在的生命等信息。圖3“火星2020”火星車上搭載的有效載荷第一臺(tái)探測(cè)儀器是桅桿相機(jī)—Z(MastCam-Z)。它是“火星2020"火星車上主要的成像工具（圖4、圖5），安裝在火星車上方的桅桿上，擁有全景和立體成像功能，這是首次在火星車上使用具有變焦縮放功能的彩色立體相機(jī)，其主要科學(xué)探測(cè)任務(wù)包括：研究火星表面的地貌、巖石和土壤;觀測(cè)火星表面上發(fā)生的天氣現(xiàn)象；為巡視器導(dǎo)航和采樣提供支持。相比之前“好奇號(hào)"的桅桿相機(jī),桅桿相機(jī)-Z具有新的功能特性——攜帶變焦鏡頭(圖6），能夠攝制三維影片.更重要的是,可變焦的相機(jī)能使火星車看得更遠(yuǎn)并且可提前發(fā)現(xiàn)可能存在的危險(xiǎn)情況，從而幫助分析火星表面的物質(zhì)和規(guī)劃火星車的行駛路線.圖4“火星2020"搭載的桅桿相機(jī)—Z的CAD設(shè)計(jì)圖圖5桅桿相機(jī)—Z的橫截面圖6桅桿相機(jī)—Z的變焦設(shè)計(jì)第二臺(tái)探測(cè)儀器是超級(jí)相機(jī)（SuperCam）。它具有成像、化學(xué)組成分析和礦物學(xué)分析等功能，特別是還能遠(yuǎn)距離(20多英尺外）檢測(cè)巖石和風(fēng)化層是否存在有機(jī)物，以及利用激光的沖擊波清除巖石表面的灰塵（圖7)。其新增的激光拉曼和時(shí)間分辨熒光光譜，具有彩色的高分辨率的可見(jiàn)光成像能力，光譜范圍覆蓋了可見(jiàn)光和紅外光.圖7“火星2020”搭載的超級(jí)相機(jī)工作示意圖第三臺(tái)探測(cè)儀器是X射線巖石化學(xué)行星儀（PIXL，PlanetaryInstrumentforX—rayLithochemistry)。它安裝在火星車的機(jī)械臂的末端,方便探測(cè)周圍的巖石或土壤。PIXL由X射線熒光光譜儀和高分辨率成像儀構(gòu)成，用于精細(xì)測(cè)定火星表面物質(zhì)的元素組成(圖8、圖9），這將為尋找和獲取火星曾經(jīng)可能存在生命的證據(jù)提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)支撐。圖8“火星2020”搭載的X射線巖石化學(xué)行星儀圖9PIXL為巖石繪制出每個(gè)元素的X射線熒光光譜，地質(zhì)學(xué)家能清楚知道巖石樣本中的礦物成份。微生物生存需要一定環(huán)境，這些礦物成份會(huì)讓我們更容易找到過(guò)去生命的跡象。第四臺(tái)儀器是拉曼和熒光光譜儀(SHERLOC，ScanningHabitableEnvironmentswithRaman&LuminescenceforOrganicsandChemicals）。掃描宜居環(huán)境中有機(jī)化合物的SHERLOC安裝在機(jī)械臂上，由兩臺(tái)不同類型的紫外光譜儀和一臺(tái)多功能相機(jī)組成,具備兩種功能：一是高靈敏度的探測(cè)碳分子,二是精細(xì)測(cè)定礦物顆粒的大小，用于尋找火星存在生命的跡象和選擇采取未來(lái)返回地球的火星巖石/土壤樣本。SHERLOC將是第一臺(tái)火星表面的紫外拉曼光譜儀，將為火星車上攜帶的其他設(shè)備提供互補(bǔ)測(cè)量(圖10)。圖10“火星2020”搭載的掃描宜居環(huán)境中有機(jī)化合物的拉曼和熒光光譜儀第五臺(tái)探測(cè)儀器是火星氧氣就地資源利用實(shí)驗(yàn)室（MOXIE：theMarsOxygenISRUExperiment）。MOXIE將首次嘗試型地利用火星上的天然資源制取氧氣（圖11)。該技術(shù)一旦試驗(yàn)成功,將有可能實(shí)現(xiàn)利用火星大氣生產(chǎn)火箭燃料、空氣、水等其他資源，為今后的載人火星任務(wù)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和鋪平道路，并可能徹底改變未來(lái)人類探測(cè)火星的模式。正如該團(tuán)隊(duì)所說(shuō)，當(dāng)我們將人類送上火星，當(dāng)然希望他們能夠安全返回，因此,需要一個(gè)能夠離開(kāi)火星的火箭,這將是將宇航員送到火星并返回的最大一筆預(yù)算。如果可以在火星上制取氧氣，就可以削減這部分開(kāi)支，從而在競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)先?？梢栽O(shè)想的是，人類登陸火星并返回的長(zhǎng)期計(jì)劃是：首先發(fā)射一個(gè)小型核反應(yīng)堆和放大版的MOXIE設(shè)備到紅色星球上。在運(yùn)行數(shù)年后,其氧氣罐中將準(zhǔn)備好宇航員所需氧氣；一旦人類到達(dá)火星,就可以獲得這些現(xiàn)成的電能、燃料和任務(wù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施。在火星表面制取氧氣將為許多問(wèn)題提供最簡(jiǎn)潔的解決方案，降低了發(fā)送液氧到火星的難度，并削減了經(jīng)費(fèi)；人類還從未在火星上建造并運(yùn)行過(guò)一個(gè)工廠,而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先需要先研發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的原型機(jī)并運(yùn)行，以解決可能會(huì)面對(duì)的問(wèn)題。圖11“火星2020”任務(wù)搭載的火星氧氣原地資源利用實(shí)驗(yàn)室第六種探測(cè)儀器是火星環(huán)境動(dòng)力學(xué)分析儀（MEDA：MarsEnvironmentalDynamicsAnalyzer)。由西班牙負(fù)責(zé)研制的MEDA的主要任務(wù)是晝夜測(cè)量火星表面塵埃的季節(jié)性的周期變化（大小、形狀、分布、相位等,圖12)。MEDA實(shí)際上也是一個(gè)火星氣象站，由不同的傳感器組成，將分別測(cè)量和記錄火星表面氣壓、大氣和土壤的溫度、相濕度、風(fēng)速及風(fēng)向、紫外線、可見(jiàn)光和紅外輻射等。未來(lái)將可以把這些信息及時(shí)發(fā)送至個(gè)人，能避免自己的裝備沾染上一些潛在的致命塵埃。圖12“火星2020”搭載的火星環(huán)境動(dòng)力學(xué)分析儀，圓圈處是安裝傳感器位置.最后一種探測(cè)儀器是火星次表層實(shí)驗(yàn)雷達(dá)成像儀（RIMFAX:TheRadarImagerforMars’SubsurfaceExperiment）.由挪威負(fù)責(zé)研制的RIMFAX是一臺(tái)穿地雷達(dá)，隨著火星車前進(jìn)，能夠掃描到地表下530米深度的結(jié)構(gòu)特性(圖13），分辨率達(dá)到厘米級(jí)。結(jié)合火星快車搭載的次表層探測(cè)雷達(dá)/高度儀（Sub-SurfaceSoundingRadarAltimeter，MARSIS)和火星勘測(cè)軌道器搭載的淺層雷達(dá)（ShallowSubsurfaceRadar，SHARAD），不但可獲得區(qū)域性的火星淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性,而且可獲得全球性的火星淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，這為火星土壤、殼的形成與演化等的研究提供了難得的機(jī)會(huì).RIMFAX將有助于“火星2020”任務(wù)探測(cè)環(huán)境的潛在宜居性，并選擇一組最有價(jià)值的巖石（或土壤)作為未來(lái)返回地球的樣品。圖13“火星2020”任務(wù)搭載的火星次表層實(shí)驗(yàn)雷達(dá)成像儀，能穿透地面，探測(cè)到地下厘米級(jí)的地質(zhì)構(gòu)造.除科學(xué)載荷外,采樣及樣品存儲(chǔ)也是火星采樣返回任務(wù)需要解決的重要問(wèn)題?！盎鹦?020”任務(wù)探測(cè)器的采樣及樣品存儲(chǔ)設(shè)備（圖14），由旋轉(zhuǎn)撞擊式巖心鉆機(jī)、旋轉(zhuǎn)鉆頭、存儲(chǔ)裝置、機(jī)械臂、巖石研磨和擦拭鉆頭組成，這一系統(tǒng)還包括篩選分析鉆頭(先對(duì)巖心進(jìn)行預(yù)分析，然后再存儲(chǔ))、獲取粉末和土壤的鉆頭.該設(shè)備針對(duì)每個(gè)巖心取樣都配有專用鉆頭，總質(zhì)量為32千克。據(jù)悉，樣品存儲(chǔ)設(shè)備可密封保存31份樣品，保存時(shí)間至少20年。圖14“火星2020”任務(wù)中用于儲(chǔ)存火星巖石和土壤樣本的設(shè)備。巖心樣品被采集后，會(huì)被封裝于樣品管中，然后再將樣品管放入儲(chǔ)存器中。儲(chǔ)存器中每一個(gè)蜂窩狀的儲(chǔ)存空間直徑約1cm，深度約6cm,總共可以存放31個(gè)樣品管?！盎鹦?020”任務(wù)的漫游車將有助于解答宇航員將會(huì)面臨的關(guān)于火星環(huán)境的問(wèn)題，在人類著陸、探索和離開(kāi)這顆紅色星球返航地球之前，率先驗(yàn)證他們所需的技術(shù)，為2030年載人登陸火星鋪平道路。NASA總部載人探索及任務(wù)運(yùn)行部副主管威廉·格斯登邁爾（WilliamGerstenmaier)表示，“火星擁有維系生命所需的資源，這將減少載人火星任務(wù)必須攜帶的補(bǔ)給物資數(shù)量。更好地理解火星的塵埃和氣候，將為規(guī)劃載人火星任務(wù)提供寶貴的數(shù)據(jù)。研制提取這些資源的方法,了解火星上的環(huán)境，也將幫助火星上的先驅(qū)者們更好地安定下來(lái)?！被鹦翘綔y(cè)步入10年黃金期“火星2020”計(jì)劃中的火星車,擁有許多前沿的科研成果,通過(guò)進(jìn)一步的探索，將會(huì)進(jìn)一步揭開(kāi)火星的神秘面紗,促進(jìn)人類尋找宇宙中的生命，并為探測(cè)技術(shù)帶來(lái)更多的發(fā)展機(jī)遇?！拔覀冇诌~開(kāi)了人類火星之旅的關(guān)鍵一步”，NASA官員CharlesBolden表示:“‘好奇號(hào)’是一座里程碑，它標(biāo)志著人類對(duì)探索火星等地外行星的不懈努力。探索火星將是這一代人的寶貴財(cái)富,‘火星2020'計(jì)劃將為人類探索火星邁出更為至關(guān)重要的另一步”。2016年，NASA還將發(fā)射“洞悉號(hào)(InSight)”火星探測(cè)器。該探測(cè)器將探尋火星的內(nèi)部構(gòu)造特性,對(duì)火星的地質(zhì)活動(dòng)、地震、擺動(dòng)和內(nèi)部溫度等進(jìn)行測(cè)量，收集有關(guān)火星演化的數(shù)據(jù),以便與地球的地質(zhì)演化歷史進(jìn)行對(duì)比.NASA的火星計(jì)劃旨在尋求以動(dòng)力學(xué)方法更好地研究火星，當(dāng)然也包括過(guò)去和現(xiàn)在的環(huán)境、氣候、地質(zhì)以及生物學(xué)的潛在價(jià)值。與此同時(shí)，NASA也正在開(kāi)展人類登陸火星并重返地球的相關(guān)領(lǐng)域的研究。美國(guó)希望能夠在本世紀(jì)30年代將人類送上火星，“火星2020"