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探火新规划纷纷出台，一系列新挑战需要克服

来源：科普中国

近日，我国公布2030年左右将实施火星采样返回任务。与此同时，印度与俄罗斯联合规划火星探测，欧空局也提出了未来载人登火目标。一时间，各国规划涌现，预示着火星探索新高潮为期不远。那么未来火星探索将关注哪些新目标？为此，各国航天人需要研发和应用怎样的新技术，以便克服新挑战呢？


(相关资料图)

火星生命万众瞩目

火星探测计划肇始于1960年，在经历了20世纪60~70年代的狂热和80~90年代的沉寂后，在21世纪初再度迎来了一波探测高潮。目前，来自中国、美国、欧空局、阿联酋等各方的9个火星探测任务正在进行中。而从各国和机构的最新火星探测计划来看，未来国际航天界将在火星生命探测、火星采样返回、火星卫星探测、火星演化历史和载人登陆火星等5个方面开展重点攻关。其中，火星生命探测应该是最吸引大众关注的项目之一。

祝融号火星车（照片来源：国家航天局）众所周知，火星位于太阳系的宜居带内，是地球的“近邻”，两者同属类地行星，体格、自转周期、元素构成等都非常接近。因此，在人类各文明的早期神话传说和近现代科幻作品中，火星文明和火星人都是永恒的主题。有趣的是，争取发现火星生命也是火星探测的最初驱动力，促使苏联和美国在航天时代伊始就投入大量资源到火星探测任务中。

如今，国外的“火星快车”“凤凰号”“勇气号”“机遇号”“好奇号”等多次在火星表面发现了水、甲烷、地表含碳有机分子等生命支持要素。蓝莓状石头和鹅卵石、古河流三角洲遗迹、火星南极地下液体沉积物（近似地下湖泊）等相继被发现，印证了火星曾存在大量液态水的痕迹。甚至不时有研究者表示，在地球收集到的火星陨石上发现过疑似古老生命遗迹。

随着航天技术进步，新一代火星探测器搭载了更先进的仪器，正在火星表面揭示更多支持火星生命曾经存在的证据。根据已有的任务规划，欧空局的罗莎琳德·富兰克林号火星车的重要使命是挖掘地下2米深的火星土壤样本，寻找微生物的潜在痕迹。这辆火星车以早年发现DNA分子结构的英国女科学家命名，科学界对它的期待可见一斑。

欧空局的罗莎琳德·富兰克林号火星车已多次推迟发射。（照片来源：欧空局）从另一个角度考虑，即使火星生命探测无果而终，人类对于火星环境的认知仍会大大加深，从而有利于未来局部改造火星，支持载人登火活动。

采样返回群雄争先

历史上，火星探测经历了飞掠、环绕、着陆、巡视等任务演化过程，尤其是着陆和巡视任务直达火星表面，极大丰富了人类对火星的认知。美国好奇号、毅力号火星车甚至携带了激光器和远距离化学成分分析仪器，可深入研究科学家感兴趣的岩石样本。

美国媒体公布的火星采样返回方案示意图。然而，类似先进探测方式固然能够显著提升对火星样本的研究能力，但激光冲击和蒸发等必然对样本造成破坏，可能会让研究“失准”。此外，火星车搭载的研究仪器高度集成化、小型化，很难达到地球实验室内级别的探测精度。在实际操作中，火星车还需要投入大量资源用于确保自身运动和通信等，对某个实验的资源分配极其有限，严重限制了科研成效。

因此，各航天大国都把火星采样返回作为下一阶段的重要目标。例如，美国毅力号火星车已采集并封装了多管样本，抛放到火星表面。未来，西方新型火星着陆器、火星车、火星无人机等将密切配合，从火星表面发射样本到环火轨道，经在轨交会对接，实施火地转移，通过一系列复杂的航天任务，力争在2033年将火星样本送回地球实验室。我国也明确了将在2030年左右开展火星采样返回任务。

如果科研人员认为短期内火星采样返回难度过大，那么还有退而求其次的目标——火星卫星。

火卫一福波斯和火卫二戴莫斯被认为很可能保存了大量火星系的古老演化片段，研究它们有助于深入揭示火星系的漫长历史。例如，这两颗卫星的来源在科学界一直有争议。有观点认为，它们是被火星引力从太阳系“俘获”而来的。也有观点却认为，火星被撞击后向太空中抛洒大量物质，部分残余形成了这两颗卫星。

这两颗卫星的体量都非常小，较大的“福波斯”平均半径也仅有11.2公里，自身引力场极弱，采样返回任务难度明显低于火星表面。

正因如此，苏联/俄罗斯曾投入海量资源到火星卫星探测中，尽管多次采样返回任务不幸失败，但福波斯任务至今仍是俄罗斯火星研究重点。

与此同时，更多航天势力瞄准了这两颗卫星。比如，在小行星采样返回领域颇有建树的日本已开启了福波斯采样返回、戴莫斯飞掠探测方案。基于“隼鸟1号”和“隼鸟2号”的成功经验，科学家对此期待很大。此外，加拿大航天局通过与商业航天力量合作，计划开启火卫一侦查和国际火星探测任务，争取加深对火星卫星的认知。

揭示历史造福人类

毫无疑问，在火星采样返回任务成功后，借助地球上的大规模实验室和专业设备，人类对火星样本的研究效率必将远远超过火星车，这就为进一步揭示火星演化历史提供了可能。

事实上，研究火星演化历史对于人类加深认知地球有着无法取代的作用。越来越多研究表明，火星曾拥有大量地表水、较稠密空气和一定含量的有机物，但如今已变成荒凉星球。尤其是磁场近乎消失，导致整个行星丧失庇护，水和大气快速流失，再无孕育复杂生命的可能。

近年来，MAVEN“大气专家”、ExoMars/TGO微量气体探测器、洞察号着陆器等国外任务聚焦于火星演化历史，从高层大气解析到地质内核研究，力争全方位揭示火星现状背后的科学秘密。

放眼未来，更先进的探测器、更精密的仪器、更强大的通信能力都将显著提升采集火星数据的质量和数量，从细节中寻找更多蛛丝马迹。比如，欧空局ExoMars系列将搭载更先进的微量气体和有机物探测仪、地下雷达等设备，立体化揭示火星的秘密，进而对照深入研究条件类似的地球。

正如先贤所言，人类不可能永远生活在地球“摇篮”里，对火星环境和演化规律有比较充分的了解之后，载人登陆火星，建立“火星家园”，堪称火星探测的远大目标，必将成为人类航天史的不朽里程碑。

不过，基于当前的航天推进系统、太空运输系统、空间辐射防护与生命维持系统等技术水平，载人登陆火星仍面临很多困难。比如，漫长的任务时间必将导致系统规模庞大，对工程技术安全及航天员身心健康都会产生不少隐患。

因此，载人登火若想成真，还需要取得诸多革命性进步，有必要在以航天科技为代表的工程技术、以行星科学为代表的理论科学、以组织社会学为代表的人文科学等方面全面突破。

具体而言，从重型火箭和新概念航天动力研发到火星土壤模拟，从火星着陆技术升级到航天医学进展，从航天员选拔优化到较长时间隔绝环境下的心理学研究，有待突破的技术几乎涉及当代各个学科的前沿领域。

面对庞杂的需求和艰巨的任务，航天科技发展模式很可能也会发生变化，不仅要集中核心资源，攻克关键难题，还要积极引导并融入全社会各行各业的优质资源，共同推动伟大事业。

必须承认的是，现有技术距离载人登陆火星还相差甚远，但国际航天界正把它作为一个清晰明确的发展目标，扎实推进。也许，到21世纪中叶，人类就有望登上火星，实现从“地球物种”到“行星际物种”的伟大转变。（作者：史瓦西）

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