美國的火星計劃

美國的火星計劃作為人類最先進(jìn)的火星探測科學(xué)研究計劃，NASA的“火星2020”任務(wù)將開啟一個全新的時代，新的火星車將攜帶地球上全新的、最尖端的7種武器探測火星的環(huán)境、氣候、地質(zhì)以及生物學(xué)的潛在價值，為2030年前將人類送上火星鋪平道路.在浩瀚的宇宙中，人類最終會擁有地外的第二生存空間嗎？今年12月８日,美國航空航天局（NASA)表示，“好奇”號火星車已成功破解火星夏普山的形成之謎。這是繼“好奇號”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)探測成果之后的又一重要成果。2012年8月,“好奇號”成功降落在火星表面,開啟其火星探測之旅.兩年多時間里，“好奇號"不斷傳來科學(xué)探測“捷報”,人類在火星知識得以不斷豐富的同時，也在密切關(guān)注美國進(jìn)一步的火星探測計劃。其實,早在2011年NASA公布的《美國2013～2020行星探測十年規(guī)劃》中,就提出了未來十年火星探測的“新任務(wù)"—-火星采樣返回。今年7月31日，NASA在“好奇號"火星探測器成功著陸以及科學(xué)探測上不斷獲得新進(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器——“火星2020”搭載的科學(xué)有效載荷?！盎鹦?020”正是火星采樣返回任務(wù)的開路先鋒，它是否將開啟人類火星探測的新模式，人類未來載人登陸火星是否因此初現(xiàn)曙光，人們無不期待謎底的揭曉。未來10年鎖定采樣返回“火星2020”是NASA火星探索計劃的一部分，這一計劃也包括了正在火星表面工作的“機(jī)遇號”和“好奇號"火星車,火星軌道上運(yùn)行的“奧德賽號”、“火星勘測軌道器"，以及今年9月下旬剛剛抵達(dá)火星的“火星大氣及揮發(fā)物演化探測器”。NASA表示，與以往的火星探測任務(wù)不同，“火星2020"任務(wù)中新一代火星車將搭載的7臺科學(xué)載荷，對火星進(jìn)行原位探測,開展地質(zhì)評估、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,它還將收集巖石樣品，并將樣品用密封罐儲存起來,放置于火星表面，以便被未來任務(wù)的航天器帶回地球?！睹绹?013～2020行星探測十年規(guī)劃》指出，未來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)并收集和儲存樣品,然后提取樣品并返回地球。火星科學(xué)界普遍接受的觀點(diǎn)是，使用先進(jìn)的分析技術(shù)來深入分析返回的火星樣品，以高的回報率獲得有關(guān)火星系統(tǒng)的科學(xué)成果。圖1美國火星采樣返回三步走示意圖任務(wù)大致分3步來完成（圖1）。第一步由“火星2020”來完成,將發(fā)射一個火星車來收集和儲藏樣品，并放置于火星表面；第二步由未來發(fā)射的第二個火星探測器來完成,主要是提取第一個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)射一個火星探測器用來“抓取”位于火星軌道上的樣品，并將樣品帶回地球。預(yù)計每次任務(wù)的間隔時間為4年.“火星2020”將利用現(xiàn)有“好奇號”平臺進(jìn)行升級改進(jìn)，打造全新的火星車(圖2）。采用“火星科學(xué)實驗室（MarsScienceLaboratory)”中“好奇號”火星車已獲得實踐檢驗的著陸系統(tǒng)和火星車經(jīng)典架構(gòu),以確保將任務(wù)的成本和風(fēng)險降到最低；在著陸前的最后幾秒鐘，將使用“太空起重機(jī)”實現(xiàn)成功著陸.“火星2020”探測任務(wù)將耗資19億美元，預(yù)計2020年7~9月?lián)駲C(jī)發(fā)射，工作壽命約為一個火星年（687個地球日），7臺更加輕量化的科學(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，并開展原位探測和巖石/土壤樣本采集返回.據(jù)此，“火星2020"計劃確定了兩大主任務(wù)：一是探測火星表面環(huán)境中潛在的宜居性和曾經(jīng)可能存在的生命痕跡；二是收集和存儲火星的巖石和土壤樣本,并對其物理與化學(xué)等背景信息進(jìn)行原位探測.“火星2020”計劃提供了一個獨(dú)特的視角，可以“窺探”太陽系中可能的宜居性?？茖W(xué)家也試圖在火星上進(jìn)行一系列技術(shù)驗證，更加深入地了解火星塵埃和天氣對人類未來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，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)在火星上實時制造氧氣，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)計的一次任務(wù).“機(jī)遇號”和“勇氣號”以及其它的火星探測器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的證據(jù)顯示，火星曾經(jīng)存在水，而“好奇號”的進(jìn)一步探測又獲取了火星過去的環(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”最新成果的基礎(chǔ)上，開展難度更大的、新的探索任務(wù)，進(jìn)一步探索其宜居環(huán)境以及尋找過去生命存在的信息。按照計劃，“火星2020”的后續(xù)任務(wù)將把巖心和土壤樣品帶回地球，繼而展開實驗室工作。通過樣品分析,才可以獲取火星是否曾在過生命等重大科學(xué)問題的更加精準(zhǔn)而明確的答案?；鹦恰皩嶒炇?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的7臺(套）探測儀器,如同組建了一個全新的火星“實驗室"，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探測儀器是桅桿相機(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)探測任務(wù)包括：研究火星表面的地貌、巖石和土壤;觀測火星表面上發(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"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)計第二臺探測儀器是超級相機(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間分辨熒光光譜，具有彩色的高分辨率的可見光成像能力，光譜范圍覆蓋了可見光和紅外光.圖7“火星2020”搭載的超級相機(jī)工作示意圖第三臺探測儀器是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，這些礦物成份會讓我們更容易找到過去生命的跡象。第四臺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，由兩臺不同類型的紫外光譜儀和一臺多功能相機(jī)組成,具備兩種功能：一是高靈敏度的探測碳分子,二是精細(xì)測定礦物顆粒的大小，用于尋找火星存在生命的跡象和選擇采取未來返回地球的火星巖石/土壤樣本。SHERLOC將是第一臺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探測儀器是火星氧氣就地資源利用實驗室（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)一旦試驗成功,將有可能實現(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人類探測火星的模式。正如該團(tuán)隊所說，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,需要一個能夠離開火星的火箭,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支，從而在競爭中領(lǐng)先?？梢栽O(shè)想的是，人類登陸火星并返回的長期計劃是：首先發(fā)射一個小型核反應(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題提供最簡潔的解決方案，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)行過一個工廠,而實現(xiàn)這一目標(biāo)，首先需要先研發(fā)一個簡單的原型機(jī)并運(yùn)行，以解決可能會面對的問題。圖11“火星2020”任務(wù)搭載的火星氧氣原地資源利用實驗室第六種探測儀器是火星環(huán)境動力學(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實際上也是一個火星氣象站，由不同的傳感器組成，將分別測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、可見光和紅外輻射等。未來將可以把這些信息及時發(fā)送至個人，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)境動力學(xué)分析儀，圓圈處是安裝傳感器位置.最后一種探測儀器是火星次表層實驗雷達(dá)成像儀（RIMFAX:TheRadarImagerforMars’SubsurfaceExperiment）.由挪威負(fù)責(zé)研制的RIMFAX是一臺穿地雷達(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。結(jié)合火星快車搭載的次表層探測雷達(dá)/高度儀（Sub-SurfaceSoundingRadarAltimeter，MARSIS)和火星勘測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.RIMFAX將有助于“火星2020”任務(wù)探測環(huán)境的潛在宜居性，并選擇一組最有價值的巖石（或土壤)作為未來返回地球的樣品。圖13“火星2020”任務(wù)搭載的火星次表層實驗雷達(dá)成像儀，能穿透地面，探測到地下厘米級的地質(zhì)構(gòu)造.除科學(xué)載荷外,采樣及樣品存儲也是火星采樣返回任務(wù)需要解決的重要問題。“火星2020”任務(wù)探測器的采樣及樣品存儲設(shè)備（圖14），由旋轉(zhuǎn)撞擊式巖心鉆機(jī)、旋轉(zhuǎn)鉆頭、存儲裝置、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(先對巖心進(jìn)行預(yù)分析，然后再存儲)、獲取粉末和土壤的鉆頭.該設(shè)備針對每個巖心取樣都配有專用鉆頭，總質(zhì)量為32千克。據(jù)悉，樣品存儲設(shè)備可密封保存31份樣品，保存時間至少20年。圖14“火星2020”任務(wù)中用于儲存火星巖石和土壤樣本的設(shè)備。巖心樣品被采集后，會被封裝于樣品管中，然后再將樣品管放入儲存器中。儲存器中每一個蜂窩狀的儲存空間直徑約1cm，深度約6cm,總共可以存放31個樣品管?！盎鹦?020”任務(wù)的漫游車將有助于解答宇航員將會面臨的關(guān)于火星環(huán)境的問題，在人類著陸、探索和離開這顆紅色星球返航地球之前，率先驗證他們所需的技術(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?！被鹦翘綔y步入10年黃金期“火星2020”計劃中的火星車,擁有許多前沿的科研成果,通過進(jìn)一步的探索，將會進(jìn)一步揭開火星的神秘面紗,促進(jìn)人類尋找宇宙中的生命，并為探測技術(shù)帶來更多的發(fā)展機(jī)遇?！拔覀冇诌~開了人類火星之旅的關(guān)鍵一步”，NASA官員CharlesBolden表示:“‘好奇號’是一座里程碑，它標(biāo)志著人類對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富,‘火星2020'計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(InSight)”火星探測器。該探測器將探尋火星的內(nèi)部構(gòu)造特性,對火星的地質(zhì)活動、地震、擺動和內(nèi)部溫度等進(jìn)行測量，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)行對比.NASA的火星計劃旨在尋求以動力學(xué)方法更好地研究火星，當(dāng)然也包括過去和現(xiàn)在的環(huán)境、氣候、地質(zhì)以及生物學(xué)的潛在價值。與此同時，NASA也正在開展人類登陸火星并重返地球的相關(guān)領(lǐng)域的研究。美國希望能夠在本世紀(jì)30年代將人類送上火星，“火星2020"