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火星探测的科学战略——从找水到找生命
郑永春
2015年07月20日人类对火星的科学探测始于20世纪60年代。从苏联1960年10月10日发射的“火星1960a”号飞越火星探测器，至2007年的“凤凰”号火星着陆器，人类共开展43次火星探测任务，其中21次获得成功或部分成功，约占48.8%。
1964年11月5日，美国第一个火星探测器水手（mariner）3号发射。截至2007年8月4日发射的“凤凰”号，美国共开展19次火星探测任务，13次获得成功，约占68.4%。在19次探测任务中，火星表面着陆或巡视探测任务7次，6次获得成功，成功率为85.7%。
美国早期最为成功的火星探测任务包括水手9号轨道器、海盗（viking）1号和2号着陆器等，特别是海盗1号和2号着陆器对火星土壤进行了分析，尽管未能发现火星上存在生命的证据，但获得了火星表面形貌、大气、区域地质等丰硕的科学成果，为后续火星探测积累了经验。
国际火星探测的技术进步经历了飞越探测器（fly-by）、轨道器（orbiter）、着陆器（lander）、火星车（rover）等四个阶段：
首次火星飞越探测：水手4号在1965年7月14日接近火星，首次成功实现对火星的飞越探测，成为有史以来第一枚成功到达火星并发回数据的探测器。
首次火星环绕探测：水手9号在1971年11月13日进入火星环绕轨道，成为人类第一个火星轨道探测器，此次探测获得空前成功。
首次火星着陆探测：苏联发射的火星（mars）3号包括轨道器、着陆器和火星车，1971年12月2日成功进入火星环绕轨道，并实现软着陆，但着陆器在着陆后15秒失去信号。1976年7月20日登陆火星的海盗1号着陆器，是首次完全成功的火星着陆探测。
首次火星巡视探测：1997年7月，“火星探路者”号（mars pathfinder，mpf）在火星表面成功着陆，其携带的火星车“sojourner”实现了人类历史上首次火星巡视探测。
二、美国2005年后的火星探测任务
美国火星探测任务的立项论证和审批由国家航空航天局（nasa）火星立项论证和预研办公室（mars pre-projects andadvanced studies office）主持，负责组织论证2020年前所有的火星探测任务，确保火星探测在美国科研领域和nasa任务中的核心地位。
由于美国国会每年分配给nasa的财政预算有限，为保证nasa主管的各类探测任务之间的平衡，与其他太阳系探测任务一样，火星探测任务按规模大小分为三类（表1）：
表1 美国2005年后的火星探测任务及其规模
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小型任务（scout class of missions）：是指成本低、规模小的火星探测计划，主要目的是对火星探测计划的“主任务”开展补充性、辅助性的探测。要求以较低成本、在较短时间内完成研制与发射，以补充“主任务”的技术和科学需要，总经费控制在5亿美元以内。小型任务允许应用一些存在风险的技术和不甚成熟的技术途径，有针对性地解决某一科学问题，类似于nasa太阳系探测任务中的发现级（discovery class）任务。
2007年8月4日发射的“凤凰”号火星着陆器就是一项典型的小型任务，耗资4.2亿美元，设计寿命90天。“凤凰”号的主要科学目标是挖掘火星表面冰层，并用相关有效载荷验证火星上是否存在适合微生物生存的环境。此外，“凤凰”号将试验和验证采用反推火箭克服重力，实现火星表面软着陆的技术（图1），这一技术途径不同于机遇号和勇气号火星车“降落伞 气囊”的缓冲着陆方式。
图1 “凤凰”号采用反推火箭克服重力，实现火星表面软着陆
凤凰号太阳电池阵展开试验
地面测控中心庆祝凤凰号成功着陆
凤凰号三条着陆腿中的一条
凤凰号上搭载的有效载荷
凤凰号拍摄的火星图像高清晰照片
凤凰号证实火星次表层存在水冰
中等规模任务（moderate class of missions）：规模中等、适度，类似于nasa太阳系探测任务中的“新前沿级”（new frontiers class）任务，总经费控制在7.5亿美元以内。中等规模任务通常为火星轨道器，主要用于收集火星表面形貌与成分、地火与近火空间环境、大气等科学探测数据。
大型（旗舰）任务（large/flagship class ofmissions）：总经费大于7.5亿美元，个别任务高达数十亿美元。这类任务通常为技术上十分困难和复杂，需要开展火星表面样品采集和现场分析的探测活动。如原定2009年10月发射、后被推迟到2011年10月发射的“火星科学实验室”（图2）。
图2 “火星科学实验室”的有效载荷性能高、件数多、技术复杂。
主要包括：
相机
- mast camera (mastcam)
- mars hand lens imager (mahli)
- mars descent imager (mardi)
- alpha particle x-ray spectrometer (apxs)
- chemistry & camera (chemcam)
- chemistry & mineralogy x-ray diffraction/x-ray fluorescence instrument (chemin)
- sample analysis at mars (sam) instrument suite
- radiation assessment detector (rad)
- dynamic albedo of neutrons (dan)
- rover environmental monitoring station (rems)
- mars science laboratory entry descent and landing instrument (medli)
三、从以大型任务为主到实施精准探测战略？
美国在1993年发射了“火星观测者”号（mars observer，mo）。mo是一个综合性的轨道探测器，总预算高达8.13亿美元。主要科学目标是：探测火星表面矿物和元素的分布；探测火星地形地貌特征和重力场；探测火星磁场特征；研究火星表面灰尘和气体的分布、运动和季节变化；研究火星大气层及其大气环流特征。“火星观测者”号搭载伽玛射线谱仪、激光高度计、热辐射谱仪等8台有效载荷。
由于“火星观测者”号任务遭遇失败，nasa重新审视和调整了以大型任务为主的原有火星探测战略，于1994年启动新一轮火星探测计划（mars exploration program，mep）。mep是nasa制定的长期火星探测计划，包括火星探路者（mars pathfinder，mpf）和火星勘查计划（mars surveyor program，msp）。1996年4月，喷气推进实验室（jpl）成立火星探测部，此后的美国火星探测任务基本是由jpl主导。
“火星观测者”号任务失败后，美国在火星探测任务中贯彻和推行“快、好、省”（faster, better and cheaper，fbc）的精准探测战略。这项战略的主要宗旨是要在火星探测中选择小型化、低成本、科学目标更明确的探测器，而不是高成本、多科学任务、系统复杂的大型探测器。“火星观测者”号未能实现的科学目标也被分解成一系列小型探测任务，所研制的8台科学仪器也转向应用于后续探测任务。
在实施精准探测战略之前，火星探测的成本高昂、系统复杂，nasa每十年才能发射一个探测器。在推行精准探测战略后，尽管nasa预算仍然有限，但自1996年以来的每个火星发射窗口（约26个月），都至少发射一个或多个火星探测器（包括轨道器、着陆器和火星车）。因此，实施精准探测战略可以有效减少火星探测的成本，降低探测任务失败的风险，使探测火星的长期规划不至于因为一次失败造成灾难性后果。
1996年至今，nasa已发射4颗轨道器、3个着陆器和3辆火星车（表2）。除火星气候轨道器（mco）和火星极地着陆器（mpl）遭遇失败外，其它都获得了成功，特别地，勇气号和机遇号火星车从设计寿命3个月到实现超期服役近七年，火星奥德赛号在轨运行近十年，成为迄今最长寿的火星探测器。此外，“凤凰”号作为第一次小型火星探测任务，同样获得大量科学数据和丰富科学成果。因此，nasa的实践证明，精准探测战略是成功和有效的。
表2 1996～2011年火星探测任务状态与任务类型
四、从注重全球遥感到开展火星表面就位和巡视探测的转变
火星探测的方式包括飞越探测、环绕探测、着陆探测、巡视探测等四种类型。
美国上世纪60年代的火星探测以飞越探测为主，共开展4次飞越探测。
1970～1992年的火星探测主要以环绕探测为主，集中开展对火星全球的表面物质成分、气候特征的探测；期间海盗1号和海盗2号还实施了着陆探测。
1996～2011年，美国共开展10次火星探测任务（含即将发射的msl），其中环绕探测任务4次，就位和巡视探测任务7次，包括4个着陆器和3辆火星车（图3）。可以看出，每隔一个发射窗口，都开展了至少一次火星探测活动。
这说明，1996年以来美国新一轮的火星探测任务已经从注重全球遥感到开展就位探测和巡视探测的转变，成为目前火星探测的主要方式，更是未来火星探测的重要方向。这种转变也反映出美国火星探测的科学目标从原来对火星地质、气候等全球特征，转移到对火星的水和生命等重大科学问题。
图3 1996～2011年期间每个火星窗口发射的火星探测器
五、从单项任务的科学探测到火星系统科学的转变
早期火星探测中最为出色的主要成果是海盗1号和海盗2号获得的。1996年以来，火星探测任务的成功率明显提高，涵盖获取地质、大气、磁场等科学任务，但每次任务的科学目标都有不同的侧重点。如火星全球勘探者号主要开展火星地形地貌的科学探测，高分辨相机和激光高度计成为其最重要的主载荷；同样是轨道器的奥德赛号的科学目标则聚焦于火星气候演化和火星上水的探测。
随着1996年以来众多火星探测任务积累的科学数据大大增加，以及在此基础上获得的大量科学成果和新发现，使得对火星的认识提高到一个新水平。通过这些探测数据的深入分析，科学界逐渐认识到，火星作为一个行星系统，本身发生着复杂而多样的变化。为了形成对火星的全面认识，必须深刻理解火星系统的基本组成部分，各部分之间的相互作用和相互联系，以及这些相互作用在不同地质历史时期的变化等关键科学问题。因此，未来十年的火星探测任务将从单项任务的科学探测逐渐转变为对火星系统科学的研究。
六、从“追踪水的痕迹”到“搜寻生命信号”的战略转变
（一）追踪水的痕迹获得巨大成功
火星探测计划分析小组（mars exploration program analysis group）是nasa总部任命的科学家委员会，旨在思考未来十年美国火星探测的投入，规划火星探测任务，并确定不同科学目标优先程度。mepag在2001年、2004年、2005年、2006年、2009年和2010年都发布过题为《火星探测的科学目标、探测任务、应用研究及其优先性分析》（mars sciencegoals, objectives, investigations, and priorities）的研究报告，作为nasa制定火星探测任务科学目标的重要参考和依据。
在2001年的报告中，mepag提出nasa火星探测的四大科学方向为火星生命、火星地质、火星气候、为载人登火星等探测做准备（图4）：
图4 nasa火星探测的四大科学方向
方向i——火星生命：生命的存在需要水（特别是液态水）。因此，搜寻火星上曾经存在或现今存在的液态水，是寻找火星生命的最佳起点。
方向ii——火星气候：认识火星气候的演变，揭示极地冰盖的形成，探索大气中的水含量随季节的变化，研究火星表面与大气层的相互作用（如极区东部），探测火星大气层的水逃逸机制等，这些科学问题都与水存在密切关系。
方向iii——火星地质：水在火星的地质过程中扮演着重要的角色，如表面侵蚀、岩石风化、冰山作用、火山活动、成岩过程、变质作用等。
方向iv——为载人登火星探测做准备：水是维持生命的最基本需求，未来载人登陆火星需要用火星上的水作为重要资源。
因此，“水”是四大方向中最高级别的科学目标和应用研究的焦点