2021年国家航天局公布中国航天将在2030年前后实施火星取样返回任务。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?

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

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。

天问一号探测器拍摄的高清火星彩色影像

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

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。

“毅力号”火星车

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。

西方国家的火星采样返回方案示意图

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,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。

毅力号采集封装的火星样品

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。

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。

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。

编辑:张圣琪、杨崇、牛谷月
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