未来火星探测的五大方向

近日，我国公布2030年左右将实施火星采样返回任务，印度与俄罗斯联合规划火星探测，欧空局更提出未来载人登火目标。各国火星探索将关注新目标，为此需要研发新技术，克服新挑战。

人类火星探测计划肇始于1960年，时至今日已超一个甲子，在经历了60-70年代的疯狂、80-90年代的沉寂后，在21世纪迎来了一波探测高潮：目前仍有来自中国、美国、欧洲、阿联酋的9个火星探测任务在火星工作。而从各国的最新火星探测计划来看，人类将在火星生命探测、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五个方面开展重点攻关。

一、火星生命探测

火星位于太阳系的宜居带内，是地球的近邻，二者同属类地行星，尺寸大小、自转周期、元素构成等高度接近。在人类各文明的早期神话传说和近现代文学作品中，“火星文明”和“火星人”都是永恒的主题，也是苏联和美国在航天时代伊始就立即投入大量资源到火星探测的核心原因。发现火星生命，也是火星探测永恒的话题。

“机遇号”拍到的疑似赤铁矿样本（图源：NASA）

如今，“火星快车”、“凤凰号”、“勇气号”、“机遇号”和“好奇号”等任务多次明确发现了水、甲烷、地表含碳有机分子等支持生命元素，“蓝莓”状石头和鹅卵石、古河流三角洲、地下水湖等发现也印证了大规模液体水存在过的痕迹，甚至在地球收集到的火星陨石都发现过疑似古老生命遗迹。随着航天技术的进步，以“祝融号”、“毅力号”为代表的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存在的证据。从未来任务来看，欧空局即将发射的“罗莎琳德·富兰克林”号火星车的重要使命就是深掘地下2米的土壤样本、寻找潜在微生物的痕迹。这个探测器以1950年发现DNA分子结构的英国女科学家命名，科学家对它的期待可见一斑。

二、火星采样返回

人类火星探测历经了飞掠、环绕、着陆和巡视类任务的演化历史，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水、土壤和地质的认知。“好奇号”和“毅力号”火星车甚至携带了激光器和远距离化学成份分析仪器，可深入研究科学家感兴趣的岩石样本。然而，虽然这种“黑科技”级别的探测方式能极大提升人类对火星样本的研究能力，但激光冲击和蒸发的破坏性方式也会让研究失准，且火星车上搭载的高度集成化、小型化的研究仪器不可能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自身运动和对地通信（中继方式）等，对某一实验的资源分配极其有限，严重限制了科研效果。

“好奇号”这种激光灼烧气化探测方式非常“科幻”，但也破坏了样本成分（图源：NASA）

因而，目前各航天大国都把火星采样返回作为下一冲击目标。例如，“毅力号”火星车已采集并封装了多管火星土壤样本，抛置到火星表面后，未来会陆续通过火星车采集、火星表面发射、火星上空交会对接、“火地”星际转移和再入地球大气等一系列复杂航天任务，最终将采集到的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。通过地球上的大规模实验室和专业设备，人类对这些火星样本的研究效率，势必远远超过小型的火星车。

三、火星卫星探测

火星有两个天然卫星，分别是火卫一“福波斯”和火卫二“戴莫斯”，在传说中是战神“马尔斯”（Ares/Mars，火星的英文名称）的儿子。而从科学研究火星的角度而言，这两颗卫星保存了火星系统的演化片段，能深入揭示火星的漫长历史。例如，科学家们对这两颗卫星的来源一直存在争议，有些人认为它们是被火星引力从太阳系内俘获而来，有些人则认为它们来自于火星被撞击后向太空中抛洒物质的残余。此外，这两颗卫星的体量都非常小，较大的“福波斯”平均半径也仅为11.2千米，自身的引力场极弱。如果对它们执行采样返回任务，难度将大幅低于火星表面采样返回。

苏联的“福波斯”探测最后时刻遗憾功亏一篑，否则将揭开火星卫星的面纱（图源：Roscosmos）

正因如此，苏联/俄罗斯曾投入海量资源到火星卫星的探测中，“福波斯1号”、“福波斯2号”和“福波斯·土壤号”都是很庞大的探测任务，重点瞄准火星。然而，这些任务都不幸中途失败，没有实现采样返回。进入21世纪后，俄罗斯继续把“福波斯”探测系列作为火星研究重点任务。与此同时，又有更多航天势力瞄准这两颗卫星。在小行星采样返回领域颇有建树的日本已开启了自己的“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，科学家对日本方案的期待颇高。此外，加拿大航天局也通过与商业航天合作，计划开启火卫一侦查和国际火星探测任务（PRIME），推进人类对火星卫星的认知。

  四、火星演化历史

研究火星的过去、现在和将来对人类认知地球有着无法取代的作用。人类已明确知道火星曾经拥有大量地表水、较稠密空气、一定含量有机物，但始终无法弄清楚它到底是如何演化到如今的地步，尤其是磁场近乎消失，导致整个行星失去了庇护，水和大气成分快速流失，逐渐失去了支持复杂生命的可能性。在无人探测主导的今天，对于火星演化历史细节的研究是一大焦点。近年来著名的“MAVEN”大气专家、“ExoMars/TGO”微量气体探测器、“洞察号”等任务都聚焦于此，从高层大气演化到火星内核研究，全方位揭示火星现状背后隐含的科学秘密。

火星侦察轨道器MRO见证了火星通信和探测技术的划时代提升（图源：NASA）

在未来的火星探测中，更先进的探测器、更精密的仪器、更强大的通信能力，都将允许人类对火星采集的数据质量和数量大幅提升，从细节中寻找更多蛛丝马迹。例如，火星侦察轨道器MRO工作至今提供了海量火星高清细节图片，传输回的数据量已远超历史上其他所有火星探测器的总和，未来它还会有更强大的“接班人”保持对火星的动态观测。欧空局“ExoMars”系列也将进一步搭载更先进的微量气体和有机物探测、地下雷达等设备，立体揭示火星的秘密。

五、载人登陆火星

毫无疑问，建立“火星家园”是对火星探测的终极目标，将成为人类航天史的不朽里程碑，甚至是人类文明未来的最伟大成就之一。为此，人类需要在航天科技为代表的工程技术、行星科学为代表的理论科学和组织社会学为代表的人文科学等实现全方面的突破。从探测的参与者而言，传统的“国家队”主导航天科技发展模式也必须做出改变，积极引导并融入商业航天等新势力，共同推动开展这项伟大的事业。例如，SpaceX在发展的“星舰”载人飞船，长远目标就是载人登陆火星。

中国的火星车，也被拟人化成为神话中的“祝融”，是个“火星人”（图源：国家航天局）

正因如此，几乎人类各个学科都能看到关于载人登陆火星的影子。从重型火箭研发到火星土壤模拟，从着陆技术升级到航天医学突破，从航天员选拔到隔绝环境心理学研究，影视作品和文艺小说也充斥着火星的痕迹。必须承认，人类现有技术距离载人登陆火星还相距甚远，但人类社会正把它作为一个清晰明确的发展目标，实现人类从“地球物种”到“行星际物种”的巨大转变。