科幻世界（2020年7月）

文/頻卑

編輯導(dǎo)語：

火星，這顆紅色星球，無論是在人類的宇宙探索史還是幻想史上，都一直占據(jù)著重要地位。2020年，中國火星探測器“天問一號”計劃于7月發(fā)射，即將拉開我國自主探索火星征程的序幕。

在這個七月流火的時節(jié)，我們特別在本期“科學(xué)”和“驚奇檔案”版塊為大家?guī)砹岁P(guān)于“火星探測器”和“科幻中的火星改造”兩個話題，以期能與大家一同更加了解這個令我們充滿遐想和向往的鄰居星球。

1、2020：絕佳的機遇

2020年前后，是全球火星探測任務(wù)相對密集的一個時期。美國、俄羅斯、歐洲、中國都將獨自或聯(lián)合發(fā)射火星探測器。選擇2020年作為發(fā)射時間點，是因為火星每隔26個月才有一次距離地球最近的機會，這是對火星進行探測的“最佳時間窗口”。在這個時間窗口發(fā)射火星探測器，不僅可以幫助各國節(jié)省運載火箭的能量，還能增加宇宙探測器的有效載荷。

人類一直對太陽系有著孜孜不倦的探索熱情，但在太陽系中最大的“寵兒”還是火星。為什么世界各國對探測火星有如此濃厚的興趣？火星對于人類來說有什么重要意義呢？

2、火星文化——從“熒惑”到《火星救援》

火星的體積僅有地球的15%，通身由于廣泛存在的氧化鐵而熒熒如火。中國古代星象中將火星稱為“熒惑”，因為它的亮度時常發(fā)生變化，運行的軌跡捉摸不定，情況復(fù)雜令人懷疑和迷惑。古代星占家認為，熒惑主戰(zhàn)亂，與兵、喪、饑饉、疾疫等亂象緊密相連，和太白一起被稱為兩大兇星。無獨有偶，古羅馬人也以羅馬戰(zhàn)爭之神Mars的名字命名神秘的火星，經(jīng)過占星術(shù)占卜后，認為火星是激情、戰(zhàn)斗和欲望的象征。直到17世紀，神秘的火星仍然以無法捉摸的運動軌跡迷惑著天文學(xué)家，誘發(fā)他們不斷地觀察和探索。

1877年，意大利天文學(xué)家夏帕雷利通過觀測發(fā)現(xiàn)，火星表面有許多河渠一樣的黑色線條。但當人們將他的發(fā)現(xiàn)譯成英文時，“河渠”被翻譯成了“運河”。這一發(fā)現(xiàn)在當時引起了許多天文學(xué)家的關(guān)注，他們把望遠鏡對準火星，還有不少人聲稱觀察到了“運河”。而“運河”這一帶著人造色彩的詞匯，也引起了人們對于火星人的猜想。美國人洛威爾觀測火星十幾年，根據(jù)拍攝到的照片繪制了火星運河圖。他認為火星上運河長度變化隨季節(jié)變化的原因是火星人引水灌溉農(nóng)田，而表面顏色變化則是作物的生長成熟造成的。

在對火星運河狂熱的年代，人們認為火星上有高級文明似乎是無疑的了，于是以火星人為題材的科幻小說紛紛問世。1937年，美國紐約哥倫比亞廣播公司以新聞形式發(fā)表了改編H.G.自威爾斯科幻小說《世界之戰(zhàn)》（War of Worlds）的廣播劇《宇宙戰(zhàn)爭》，稱火星上章魚一樣的怪物已經(jīng)登陸，它們非常聰明，但十分殘忍，人類無法阻擋，所到之處血流成河，入侵地球后甚至引起了星際大戰(zhàn)。廣播劇一經(jīng)播出，很多人信以為真，陷入了驚慌恐懼，還有人在逃生中受傷甚至喪生。這似乎可以說明，航天技術(shù)落后、對宇宙知之甚少的時代，人類對神秘火星的幻想也從未停歇。

如今航天技術(shù)高速發(fā)展，人類對火星也有了一定程度的了解，關(guān)于火星的作品更是層出不窮。馬特·達蒙主演的《火星救援》，以美國國家航空及太空總署NASA和其他組織共同探索火星為背景，把時間推移至2030年——那時，NASA的宇航員會定期登上火星，在上面生活和探索。它不僅把關(guān)于火星的想象和事實相結(jié)合，還以豐富的科學(xué)內(nèi)涵和堅實的技術(shù)基礎(chǔ)吸引觀眾，甚至在一定程度上可以作為載人登陸前的火星生存手冊。其中，對于居住艙、輻射防護、土壤改造等一系列移民火星需要解決的問題也進行了大膽暢想，體現(xiàn)了人類對未來載人登陸火星的期望。

現(xiàn)實中，自阿波羅登月后，火星這個地球軌道外側(cè)最靠近地球的行星，就成了人類最念念不忘的目標。它處于太陽系的宜居地帶內(nèi)，有稀薄的大氣層，是最有可能發(fā)現(xiàn)生命的星球。它是人們未來的希望，特別是在火星上尋找可能有的生命，更是成為世界科學(xué)家的一大夢想——如果火星上有生命和水，它可能就是適合人類居住的另一顆行星，人類也就有可能向火星移民，開辟新的生存空間。正因如此，研究火星有利于人類進一步認識地球、火星及太陽系的形成和演化過程，從而預(yù)測地球的未來、為開辟新的家園作基礎(chǔ)。

火星上到底有沒有生命？火星是地球的前身還是地球數(shù)億年后的樣子？人類何時能去火星定居？好奇的人們越來越想揭開這顆鄰近行星的神秘面紗，火星探測器也應(yīng)運而生。

3、經(jīng)驗與挑戰(zhàn)——火星探測器技術(shù)發(fā)展史

沖天的火箭與升騰的熱浪，在我們熟知的太空發(fā)射場景之后，來到火星的探測器又是怎樣精準進入火星的軌道呢？

初期發(fā)射的火星探測器在到達火星附近后，會使用主動制動（利用自身攜帶的推力器產(chǎn)生推力制動）的方式實現(xiàn)減速。2001年發(fā)射的“奧德賽”首次使用了一種被稱為“氣動減速”的技術(shù)，利用火星的大氣來代替發(fā)動機推力，減小飛行器的速度，使飛行器能夠沿軌道每一圈飛行逐漸降軌來靠近火星。

而降落在火星表面之前，為了保證著陸器最終能夠安全觸地、減少著陸沖擊、保護科學(xué)探測儀器不受到損壞，就必須要有著陸緩沖裝置?？臻g探測器在地外星球軟著陸的方式目前主要有三種：一種是氣囊彈跳式，二是著陸腿式，三是空中吊車式，每種方案都有各有利弊。氣囊式比較簡單，成本低，但只能滿足重量小的探測器軟著陸要求；空中吊車式反之；著陸腿式則介于它們兩者之間。

1997年美國發(fā)射的“火星探路者”首次采用了氣囊彈跳緩沖著陸方式。2004年，作為“火星探路者”的升級版本，第二代火星車“勇氣”號和“機遇”號同樣延續(xù)了氣囊著陸方式，但在此基礎(chǔ)上使用了反推火箭，大大減小了著陸時的沖力。隨后發(fā)射的“好奇”號的著陸過程首次使用了一種名為“天空起重機”的輔助設(shè)備助降。在經(jīng)過大氣摩擦減速和降落傘減速后，“天空起重機”開啟八臺反推制動火箭，進入有動力的緩慢下降階段。這次成功的著陸為未來的載人登火計劃奠定了基礎(chǔ)，也開啟了深空探測噴氣式著陸的新篇章。

火星探測的科學(xué)探索之路也并非一帆風(fēng)順。探測任務(wù)失敗的原因往往不只是簡單的失誤，還有其背后隱藏的心態(tài)問題。1999年的火星氣候軌道探測器下落不明，美國航天局的工程師總結(jié)，“探測器進入火星大氣層時飛得太低了，可能導(dǎo)致燒毀?！笔鹿试虮砻嫔峡磥硎且驗樵O(shè)計人員計算時將數(shù)據(jù)搞混了。但深思細品，則是當時“更快更好更廉價”的任務(wù)方針釀成的后果。常規(guī)的“二次確認”被省略了，當有人發(fā)現(xiàn)錯誤時，他們得到的回答是“你們得證明我們偏離軌道了”，而此時探測器還尚未偏離。不確定性被當作了放棄確認的借口。

科學(xué)家們吸取教訓(xùn)，采取了更為嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度。美國2005 年發(fā)射火星偵察軌道器的團隊吸取了失敗任務(wù)的教訓(xùn)，才讓這次任務(wù)變得非常成功，發(fā)射的探測器至今仍在運行。

隨著探測器深入越來越寒冷的太空，到達火星時陽光的強度只有地球的一半，因而需要更多的太陽能板或者更高效率的供能電池，以滿足能源需要。在科學(xué)家的不懈努力下，2012年，第三代火星車“好奇”號不再采用太陽能電池板，而是采用核動力，因而可以全天候工作，也不再懼怕沙塵暴和極端天氣，在火星表面的連續(xù)行駛能力和機動能力也更加強大。

1997年，美國宇航局的“火星探路者”安全降落在這顆紅色星球表面。在降落之后，它釋放出一輛被稱作“旅居者”的小型火星漫游車，這是人類史上第一輛在火星上行駛的車。以往，探測器一旦著陸就無法移動，即使發(fā)現(xiàn)著陸點不遠處的物體也無法探索，因為著陸器沒有可供移動的設(shè)備。但從“旅居者”開始，火星探測器第一次裝上了輪子，可以根據(jù)指令在火星表面進行移動探索。攜帶了十多種“科學(xué)武器”的“好奇”號相當于一個標準的野外地質(zhì)學(xué)家，這是火星探測領(lǐng)域的一次大跨越。

1962年11月，蘇聯(lián)發(fā)射的“火星一號”探測器被視為人類火星探測的開端，在1966年后，每兩年一次的有利窗口期間，都有火星探測器發(fā)射。人類使用空間探測器進行火星探測的歷史幾乎貫穿整個人類航天史，目前為止，人類已經(jīng)先后46次嘗試發(fā)射了大約50個火星探測器，對火星及其衛(wèi)星實現(xiàn)了飛越、環(huán)繞、著陸和巡視探測，獲得了無數(shù)珍貴的科研資料。

整個火星探測過程涉及多方面、多學(xué)科，難度非常大，整個火星探測史可謂是敗多勝少，但火星探測就是在一次又一次的失敗中不斷前進?；鹦翘綔y器是載人火星的“先行者”，每一次進展都是圍繞著發(fā)射、著陸、能源、探測等問題而進行，進而為載人登陸火星積累經(jīng)驗。今后人類也將繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗、反思教訓(xùn)，以迎接新的挑戰(zhàn)。

4、火星探測的“超級2020”

平均每26個月才有一次地球奔向火星的時間窗口。從上一次的窗口期2018年5月到現(xiàn)在的2020年7月，兩次窗口之間已經(jīng)集中了6次發(fā)射與10個探測器，堪稱人類有史以來火星探測最為密集的時期。

美國計劃發(fā)射的“火星2020”著眼于未來，計劃展開一場超時空接力賽：采集火星巖石和土壤樣本，存儲起來，以待后續(xù)火星探測器將它們?nèi)』夭⑺突氐厍?，為進一步的分析研究提供保障。“火星2020”還有一個很重要的功能就是提取大氣中的氧氣，這項技術(shù)對未來登陸火星的宇航員很重要。如果有關(guān)技術(shù)取得成功，不但能發(fā)射更大、更復(fù)雜的探測器，還有利于載人飛船降落技術(shù)的開發(fā)和成熟。

2020年7月，阿聯(lián)酋研發(fā)的“希望號”火星探測器將按照計劃搭乘日本的H-2A火箭升空。“希望號”是運行在火星軌道的緊湊型探測器，將環(huán)繞火星進行4年勘測任務(wù)，繪制火星詳細地貌和大氣變化情況，期望解開火星上水源消失的原因。

而這個新窗口期里，中國也將在火星探索上開啟全新征程。2017年的“兩會”上，全國政協(xié)委員、中國科學(xué)院院士葉培健就中國火星探測發(fā)表了意見。他表示，國內(nèi)航空航天有關(guān)部門現(xiàn)正在進行火星探測器的研制工作，預(yù)計2020年將發(fā)射中國首個火星探測器，經(jīng)過7個月的飛行，于2021年飛抵火星進行科學(xué)探測。他還說，在這次任務(wù)當中將完成對火星的全球觀測，這將是世界第一次。

中國火星探測任務(wù)命名為“天問”，取自屈原《天問》。按照計劃，“天問一號”火星探測器要一次性完成“繞、落、巡”三大任務(wù)，這是世界航天史的首創(chuàng)。而長征5號運載火箭也是首次搭載三套不同目標的設(shè)備，一次發(fā)射任務(wù)就能完成多種不同需求的發(fā)射計劃，火星軌道衛(wèi)星將與火星地面的火星車聯(lián)合進行任務(wù)，完成火星上的地貌、大氣、環(huán)境以及磁場多方面的數(shù)據(jù)資料收集，這種空間與地面立體配合的方式將比其他國家探測收集到的資料更為詳細。相信“天問”系列，會秉承先人的精神，面向未來，不斷探索，勇于創(chuàng)新。

5、展望未來——載人火星探測是下一目標

從人類第一次探索這顆人類熟悉的紅色星球至今，火星探測的成功率越來越高，技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。裝備于探測器上的精密取樣觀測儀器、太空起重機技術(shù)實現(xiàn)的軟著陸、核動力發(fā)電技術(shù)確保的能源供給……這些新的探測手段、著陸方式、能源供應(yīng)技術(shù)為未來的載人登陸火星任務(wù)提供了基礎(chǔ)，為人類向火星移民、開辟新的生存空間提供新的希望。

載人登陸火星已經(jīng)成為全人類的共同夢想。雖然人類探索火星的道路仍充滿挑戰(zhàn)，但不懼挑戰(zhàn)和不懈探索的精神正是人類社會蓬勃發(fā)展至今的動力。火星探測器作為載人火星航天的“先行者”，將為人類登陸火星提供堅實的技術(shù)保障。未來，載人登陸火星、改造火星環(huán)境、火星移民也許并不只是科幻小說里遙不可及的夢想。

在通往未知的遠征中，讓我們拭目以待。

【責(zé)任編輯：艾珂】