火星,我们来了!

【摘要】向行星发射航天器可选用多种飞行路线。为了节省能量，通常采用初始速度最小的飞行路线，并将其称为最佳轨道。最佳轨道只有1条，对包括火星在内的外行星来说，这就是外切于地球公转...

6月20日和26日，美国科学家分别宣布，“凤凰”号火星着陆探测器发现，火星北极确实存在冰冻水，当地土壤的碱性环境与地球上某些区域相似，符合种植芦笋等作物的要求。这两项成果引起人们的广泛关注和极大兴趣。这标志着人类在探测火星征途上又迈出了重要一步，这也意味着火星离我们又近了一些。

从1960年到现在，人类共向火星发射了38个探测器，成功率仅为50％，这么多的失败经历，不仅没有打消反而更激起了人类对火星的憧憬与向往。人类之所以如此关注火星，是因为它是太阳系中与地球类似之处最多的行星，它寄托了人类在地球以外发现生命的厚望，它有可能成为人类的第二家园以及人类飞出太阳系的踏板。

人类探索火星的历程

火星是颗外壳为固体的行星，距离太阳2.279亿千米，约为地一日距离的1.52倍，绕日公转1周需687天。它的赤道半径为3397千米，体积是地球的15％，自转周期为24小时37分23秒，仅比地球自转周期长41分钟。有趣的是，火星也像地球一样侧着身子绕日公转，因此火星一年也有春夏秋冬四季变化。同时，它还有两颗天然卫星。由此可见，火星环境最接近地球，是被科学家认为最有可能存在生命的星球。正因如此，人类进入空间时代以后，就把火星选作探测地外行星的第一目标。航天器飞向火星的活动不仅起步早和次数多，而且探测成果最为显著，也为探测其他行星积累了经验。

从1960年到现在，人类共向火星发射了38个探测器，其中苏联／俄罗斯18个，美国18个，日本1个，欧洲空间局1个。在19个成功对火星进行探测的航天器中，有5个飞掠火星，7个成为火星的人造卫星，7个着陆火星。它们获得的照片和探测数据传回地球后，成为人类认识火星及其周围环境的依据。航天器就近观测火星和实地勘察火星，大大丰富了人类对火星的认识，并加强了科学家们派人登临火星的决心，以彻底揭开其神秘面纱。

向行星发射航天器可选用多种飞行路线。为了节省能量，通常采用初始速度最小的飞行路线，并将其称为最佳轨道。最佳轨道只有1条，对包括火星在内的外行星来说，这就是外切于地球公转轨道、内切于目标行星公转轨道的双切式椭圆轨道：对水星和金星两颗内行星来说，这就是内切于地球公转轨道、外切于目标行星公转轨道的双切式椭圆轨道。它是地利科学家霍曼于1925年提出来的，故又称霍曼轨道。霍曼轨道虽可节约火箭能量，却因速度小而使飞行时间较长，航天器从地球到达火星需要奔驰259天。

由于地球和火星都在绕日运行，两者的相对位置不断发生变化。当太阳、地球、火星处于同一条直线上时，称为相冲。两次相冲间隔的时间叫做会合周期。显而易见，在一个会合周期内地球、火星及太阳三者之间的每一种相对位置只能出现一次，故对选定的霍曼轨道来说，每一个会合周期内只有一次有利的发射时机。火星与地球的会合周期为780天即26个月，因此每26个月才有一次沿霍曼轨道发射航天器的发射窗口。

在向火星发射的38个航天器中，“凤凰”号排在末位，是最新型的一科，火星探测器。目前，有6个航天器正在对火星进行探测，其中有美国的“奥德赛”号、“火星侦察轨道器”和欧空局的“火星快车”3个轨道器，有美国的“勇气”号、“机遇”号和“凤凰”号3个着陆器。

“凤凰”探秘火星北部

美国当地时间5月25日16时38分，“凤凰”号探测器成功降落在火星北纬68度的接近北极地区，位置相当于地球上的加拿大北部。“凤凰”号因而成为人类第一个在地球的外邻星最北地区着陆的航天器。

2001年4月27日美国发射的并于同年10月24日进入环火星轨道运行的“奥德赛”号探测器，曾于2002年在火星北纬65度以北地区发现大范围冻水层存在的证据，冻水层位于火星表面之下约0.5米处。“凤凰”号就是奔着这片冻水层而去的，计划开展为期3个月的探测活动。研究人员希望它能挖掘火星土壤样本，寻找可能存在的冰层，并分析土壤中是否存在有机物，以判断火星现在或过去的环境是否适宜生命存活。如果找到了水和发现了有机物的线索，那就是对火星探测的一个重大贡献。

为了实现上述探测目标，“凤凰”号携带着7种科学仪器设备。一是用铝钛合金制成的机械挖掘臂。它长达2.35米，可以挖到火星地表之下半米深的土壤，并将样本传送到两台分析仪器中；二是机械臂照相机。它安装在机械臂末端的挖掘铲上，可以拍摄土壤以及其中冰的特写图像；三是热量和释出气体分析仪。它有8个微型烤箱，可将土壤样本加热，并测量随着温度上升样本中的水蒸气、二氧化碳及挥发性有机物的变化：四是显微镜以及电化学和传导性分析仪，显微镜主要用于分析矿物颗粒样本，电化学分析仪用于研究一些化学特性，如是否有溶解的盐分存在、土壤酸碱度等。位于机械臂上的传导探测器则可检查土壤的热量及电传导特性：五是立体照相机。它可拍摄着陆位置地形的高清晰度、彩色、立体图像；六是气象仪。它由加拿大航天局提供，可以检测火星大气层的尘埃、温度等变化；七是火星降落成像仪，它可在着陆动态拍摄火星着陆位置的地质情况。

这些仪器采用了很多成熟的技术成果，包括1999年着陆火星后失去联系的“火星极地登陆者”和原定2001年发射后来又被取消的“火星勘测着陆器”所携带的或经改进的部分装置。正因如此，“凤凰”号探测器的成本相对较低，这是美国航宇局执行名为“侦察”的低成本火星探测计划以来发射的首个探测器。

“凤凰”号硕果累累

作为一个固定的火星登陆器，“凤凰”号以几近完美的方式完成了着陆任务并于2小时后传回第一批火星图片。

5月31日，“凤凰”号伸出机械臂末端的挖掘铲首次进行试挖，在火星泥土上留下了一个类似人类脚印的痕迹。这第一次接触火星的成功为之后的采集土壤和向其他科学仪器传送土壤样品做好了准备。

6月5日，美国航宇局展示了“凤凰”号利用光学显微镜拍摄的火星表面尘埃颗粒的高清晰度照片。其中一些颗粒小到人类头发直径的十分之一。照片中的尘埃颗粒大小各异、色彩斑斓，颜色涵盖了从半透明白色到纯黑色的色谱。研究人员认为，一个色泽光亮发白的颗粒可能是盐，不大会是冰。因为那样小的冰颗粒会在拍照之前融化。但盐同样引人注目，因其通常分布在冰的周围。

6月12日，“凤凰”号传回的图像显示，它的机械臂已经成功地把火星土壤样本撒到了光学显微镜的样本盘上。显微

镜上的土壤样本大致呈橘红色，里面有一些绿色颗粒，可能是橄榄石，这种矿物质与火山喷发有关。“勇气”号火星车先前在火星上发现过橄榄石。土壤样本里还含有黑色圆形玻璃状颗粒，可能是火山玻璃。

6月15日，“凤凰”号机械臂挖掘铲在着陆点西北角挖出一个大约5厘米深的沟，发现了约8个明亮的小碎块。这些碎块16日时还存在，但到18日却蒸发不见了。研究人员说，此一现象表明，原来的明亮碎块就是掩埋于一层薄土之下的水冰，当其暴露于空气中时逐渐被蒸发掉了。“凤凰”号着陆点目前白天温度约为-32℃，晚间是80℃。在火星稀薄的大气中，水的沸点仅为4℃，很容易蒸发，而二氧化碳需要在-125℃以下才能变成固态的干冰，盐则不会蒸发，这就排除了明亮碎块是干冰或盐的可能性。据此，6月20日，“凤凰”号探测项目首席科学家彼得・史密斯在新闻会上宣布，火星北极确实存在水冰。

6月26日，美国科学家在新闻会上说，“凤凰”号机械臂挖掘铲在火星表面以下2.5厘米处采集到1立方厘米土壤，用仪器检测其酸碱度即pH值。结果显示，土壤溶液的pH值在8～9之间，呈碱性。同时，分析仪器还在土壤中检测出镁、钠、钾等元素和氯化物。分析表明火星北极土壤没有毒性，地球上类似土壤环境适合种植芦笋、青豆等作物，喜好化学物质的细菌也适合在其中繁殖。不过，火星土壤中没有检测出碳元素和有机物。新发现只是增加了火星北极平原具有适宜原始生命存活的条件。

不言而喻，“凤凰”号今后在火星上还会有新的发现。在结束预定90天的火星表面探测任务后，它将启动所携的气象仪，用激光雷达和温度压力测量装置监测火星大气层的变化情况，记录火星北极每天的天气状况。显而易见，“凤凰”号对火星表面和大气层的探测，都将为探索人类登陆火星的可能性提供有用的科学数据。

展开“火星生命计划”

探测火星有无低级生命、将来能否成为人类的第二家园，原是发射航天器奔赴这颗暗红色星球的初衷。而有无生命迹象，就要看火星上面是否存在适宜的空气、温度和水分。研究航天器传回地球的资料可知，火星大气稀薄干燥，变化莫测，气压仅为地球的0.s％，主要成分是占95％的二氧化碳和占3％的氮，水含量仅占0.03％。火星云层主要成分是二氧化碳凝结成的干冰。火星经常发生比地球上规模还要大的沙尘暴。1976年7月20日和9月3日先后着陆火星的美国“海盗1”号和“海盗2”号探测器测得所处位置的温度在26℃～-54℃之间，可以存活低级生命，但没有发现生命。

航天探测表明，火星除两极极冠有冰层和高纬度地区地表下面有永冻冰层外，其他地区都没有水。虽然有些地形显示曾被水流冲刷，但都处于干涸状态。美国科学家们研究传回地面的大量照片发现，火星表面曾出现一些新的深谷和滑坡，这只有在地下有大量水流动的情况下才可能形成。他们预计，地下水储存在火星表面以下100～400米的石层空洞之间。这一分析有待未来更进一步的探测加以证实。

实际上，发射“凤凰”号仅是美国实施“火星生命计划”的一个组成部分。按照1996年开始实施的该计划规定，美国每隔26个月发射1至2个无人探测器，以确定火星上是否存在生命。在“勇气”号和“机遇”号登陆火星之后，这个计划的重点转为探测火星上是否具备生命存活的条件。美国于2005年8月12日发射的“火星侦察轨道器”，是当今最大的人造火星卫星，已在这方面进行了有益的探测，传回了大量数据资料。

“勇气”号和“机遇”号两个火星车，原定工作90天，可4年半过去了，至今仍然漫游在靠近火星赤道的区域继续开展探测工作。由此可见，“凤凰”号的实际工作时间也会超过原定期限，在接近火星北极的固定地点作超期服役的就地探测。这3个着陆探测器已经并将进一步为美国提供火星典型区域的科学数据，从而帮助科学家加深对火星的认识。

从已公布的信息来看，美国将于2009年或2011年发射“火星科学实验室”着陆探测器，这种新一代火星车性能更为先进，它约有一辆吉普车大小，比目前仍在火星上工作的“勇气”号和“机遇”号大几倍，其穿行能力也将得到更多改善，可在陡坡上正常行驶。新型火星车将依靠核能来工作，取代目前火星车上使用的太阳能电池板，因而可大大增加漫游车的行程和使用寿命，提高其开展实验活动如钻探的能力。新型火星车最引人注目的是用“空间起重机”登陆，如果成功，将是着陆探测火星技术上的一次飞跃。“火星科学试验室”能对火星上一些“死角”进行考察，进一步探索火星上是否有生命存在。

美国力争在2014年之前让返回式航天器带回第一批火星土壤和岩石样本，供科学家直接进行分析研究，以完成“火星生命计划”规定的任务。随着“取样返回”任务的完成，美国“火星生命计划”也将结束。此后，美国将为载人火星探索做各种准备，以期最终实现载人登陆火星。

为人类登陆火星做准备

以美国为首的一些国家紧锣密鼓地探测火星，都是为本世纪30年代实现派人登陆火星的目标做准备工作的。不难想象，在结束“火星生命计划”之后，美国必将把多个性能更为先进的航天器送上火星，并实施多次的返回飞行，为开启载人火星之旅进行探路。因为自2004年1月14日美国总统布什提出2030午后派人登陆火星的计划后，美国航宇局就开始了相关研究工作，并准备把未来的载人登月航天器“奥赖恩”加以改进，使其成为载人登陆火星的航天器，打算在2031年实现载人登陆火星。

在布什宣布派人登陆火星计划的同一天，俄罗斯高级官员就宣称，如有经费有保证，我能在10年内将人送上火星。欧空局于2004年2月3日宣布的“曙光”火星探测计划则称，力争在2033年实现欧洲航天员登上这颗红色星球的梦想。实际上，俄罗斯和欧空局也已启动送人奔向火星的某些项目的预先研究，并不排除他们捷足先登的可能性。

欧空局除单独开展预研工作外，还分别与美、俄进行合作攻关。2004年2月6日，“火星快车”飞经“勇气”号探测的火星表面上空时，欧空局即通过前者向后者发送了信息，并收到了后者的反馈信号。这是欧美火星探测器首次进行联系试验，并获成功。此举无疑对将来双方航天员登上火星后进行通信联系有重要意义。与此同时，欧美还在研究航天员奔赴火星途中维持生命保障系统方面互相借鉴。依照欧俄合作计划，双方将于2008年末开展“火星-500”试验，对载人火星飞行进行全方位的地面模拟。

不言而喻，随着经济的发展和科技的进步，将有越来越多的国家参加到探测火星和派人登陆火星的行列中来，只有航天员登上火星以后，才能确定人类将来能否移民火星。

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人类火星之旅面临几大难题

一是飞行动力的问题。由于火星之旅路途遥远，除发射升空需要强大运载动力外，还需为飞船长途航行提供可靠的动力。同时，着陆火星后还要解决能源需求问题。目前的办法是利用太阳能电池板，但其稳定性仍令人担忧，尚需考虑使用核能装置。

二是人身保护和空气、饮食供应问题。航天员在乘船飞往火星过程中，太阳风暴和宇宙射线风暴常会持续数日之久，这就需要加强太空天气预报能力和改进各种防护设备。同时，在路途上和到达火星后，都需要保证航天员对氧气、饮水和食品的需要。

三是人体必须适应新的环境问题。飞往火星途中，航天员长期处于微重力状态，会出现肌肉松弛或骨质变轻等太空综合症，而能活动的空间又很小，使这一问题更加严峻。另外火星的温度、大气、引力等问题，也是对人体的挑战和考验。

四是着陆火星和实时联络问题。飞船进入火星要经过离轨、过渡、进入大气层和软着个阶段，尽管时间不长但危险性很大。由于地球与火星距离遥远，无线电信号单程传输需要10多分钟，故而航天员无法获得地球控制中心的及时帮助，必须依靠飞船的自动控制设备和自己的知识、经验来解决遇到的问题。着陆火星后，还需要保证与地球的正常通讯联系。