http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2011-12-18
上图：2011年6月，好奇号火星车在火星科学实验室接受流动性测试时拍下的照片
左图：俄罗斯近15年来第一个星际站“火卫一-土壤”
本期专家：中国空间技术研究院研究员庞之浩
最近，关于火星的新闻可真不少。中国志愿者王跃和来自其他国家的5名志愿者结束长达520天的往返火星与地球的模拟实验，走出模拟飞船“返回地球”。 搭载我国首枚火星探测卫星“萤火一号”的俄罗斯“火卫一-土壤”探测器发射升空后，由于故障未能进入预定的地火转移轨道，预计将于明年1月坠落回地球。造价25亿美国第三代火星车“好奇”号带着探索火星生命的任务升空。
为什么我们关注火星呢？在人类探索火星的征途中都有哪些收获？又经历了哪些失败？火星能成为我们的第二家园吗？
———— 火星素描 ————
有稳定气体和液态水，目前没有生命迹象
火星是距地球最近的红色行星。火星有稳定的气体，星上到底有没有生命，是人们最想知道的事情。作为太阳系九大行星之一，火星上也有四季，火星表面像地球上的岩石、火山和沙漠。人们一直认为，火星是太阳系中最可能有生命的一个星球。
科学家们发明了两套指数来判断一个星球是否和地球相似，以及人类移居过去的可能性。据介绍，地球相似度指数是用来评估行星或卫星与地球究竟相似到何种程度，该指数考虑的因素包括星球大小、密度以及与主恒星的距离等。行星宜居度指数则考虑一组完全不同的因素，如星球表面究竟是岩质的还是冰冻的、星球是否有大气层、是否有磁场等。此外，行星宜居度指数还考虑生物体是如何获得能量的，是利用主恒星的光能还是通过一种被称为“潮汐可挠性”的过程获得能量。化学因素也是行星宜居度指数考虑的因素之一，如是否存在有机化合物等。按照地球相似指数排行，如果地球的指数是1.00，火星则可以达到0.70。而火星的行星宜居度指数排行更靠前，达到0.59。
据美国科技新时代网站8日报道，近些年来，有关人类在火星上找到证据证明火星上曾有水存在的消息已屡见不鲜，而日前美国“机遇”号火星探测器更是有了空前的新发现——石膏。研究人员介绍称，几乎可以确认那些石膏是在水流经过之处沉积下来的，这证明火星上曾有过液态水，“这一发现堪称‘硕果’”。
在美国国家航空航天局的新闻发布会上，“机遇”号火星探测项目的负责人康奈尔大学的史蒂夫表示：“这次发现的石膏相当纯粹，之前在火星上找到的与水有关的石膏、矿物质远不及此次发现更有价值。尽管石膏在地球上并非罕见，但能在火星上与它相遇却足以让地理学家们兴奋不已。”
但是，虽然最近在火星上发现了种种新闻，但不得不承认的事实是，火星要成为我们的第二家园仍需不短的时日。伦敦大学学院太空生物学家刘易斯·达特奈尔生命的形成时说：“生命形成过程中需要跨越许多障碍，我们不知道生命起源有多艰难。到目前为止，人类已知的存在生命的星球只有一个，那就是地球。”
———— 火星探测 ————
各国共发射40余次探测器，喜忧参半
最近，俄罗斯和美国的火星探测项目都传来新消息，一家欢喜一家愁。其实，在人类对火星发射探测器的几十年里，获得成功的几率并不高。
11月9日，我国首个火星探测器“萤火一号”在拜科努尔发射场由俄罗斯“天顶－2SB”火箭发射升空。然而，由于俄方探测器出现故障而失败，使我国的“萤火一号”也未能如愿奔向火星，而是滞留在近地轨道，中国首次火星探测行动最终流产。据美国战略司令部的最新预测，11月9日发射并“卡”在地球轨道的俄罗斯火星探测器“火卫—-土壤”将正好在发射后两个月的时候，即1月9日进入厚厚的大气层并坠落地球。
“火卫—-土壤”是俄罗斯最近15年来第一次用于从火星卫星上取回土壤样品的自动星际站。“天顶－2SB”运载火箭11月9日凌晨发射时运转正常，但是“火卫—-土壤”的主发动机没有启动，未能将探测器推入飞往火星的轨道上，使“火卫—-土壤”留在近地轨道上，两个星期以后才与它取得联系，但联系随后再次中断。
“萤火一号”以探测火星空间环境、大气环境为主，具体探测目标是火星空间磁场、电离层及其变化规律，探测地形地貌、重力场等。它搭载在俄罗斯“火卫—-土壤”探测器内部，是我国第一个去“探望”火星的微小卫星。中国航天科技集团公司载人航天工程办公室主任童旭东表示，受轨道距离影响，两年内不会再有新动作。
与俄罗斯的失败经历不同的是，美国人的“好奇号”火星车于上月底发射升空，随后顺利进入飞往火星的轨道，发射取得圆满成功。佛罗里达州卡纳维尔角发射世界最大、最先进的无人核动力火星车“好奇号”，将在明年8月抵达火星，以了解火星现在或过去是否适合生命存活。
“好奇号”像汽车般大小，将采用降落伞、制动下降、“空中起重机”等方法着陆。好奇号火星车诞生于2004年，是迄今技术水平最高的火星着陆器。登陆火星后，“好奇号”将分析火星上的数十个岩石样本，调查火星环境是否适合微生物或生命生存，寻找生命线索。
这项计划耗资25亿美元。“好奇号”大小如一辆小型车，重约900千克，比之前在火星上的“机会号”大两倍，重五倍，称为“火星科学实验室”。主要任务是探寻火星上的生命元素，也希望能找到火星曾经适合生命存在的证据。
“好奇号”能搭载更多的仪器，携带10种重要设备飞往火星，包括机械臂，能够挖掘物质并送到火星车上的实验室，对粉状物进行分析；并拥有雷射设备，可将6公尺以内的石块及土壤样品变成粉末。另外，“好奇号”的动力并非来自太阳能，而是核电能，利用放射性衰变产生的热能发电。
美国航空航天局于1970年代启动“海盗”计划，首次展开了火星探测之旅，探究地球以外的星球究竟是否有生命存在。
自1960年10月苏联发射第一批火星探测器以来，苏联和俄罗斯、美国、欧洲、日本共进行过43次发射，半数以上以失败告终。所有任务中包括13次着陆任务，其中只有7架探测器在着陆后成功发回信号。美国航空航天局在所有火星探测活动中的成功率最高为65%，其发射的7个着陆探测器中有6个获得成功。
航天专家庞之浩介绍，我国专家正在积极力争在近些年利用我们的火箭和测控通信系统，发射和运行我国自己的火星探测器。长远来看，我国火星探测也是想跟月球探测计划一样采用绕落回的方式逐步进行。
———— 专家观点 ————
载人登火星仍面临四大困难
航天专家庞之浩介绍，21世纪人类航天最重要、最复杂的项目就是载人登火星，其目的之一是寻找地外生命，从而深入研究生命、地球乃至宇宙起源和演化，以及人类在宇宙中的地位和最终的命运。另外，载人探测火星可对研究地球的演变，防止它变成人类难以生存的第2个火星做准备。还有，载人探火星可能解决地球上存在的一些难以解决的问题。由于火星与地球最为相似，所以很多科学家认为可先把火星改造成适合人类居住的第2个人类家园，在地球人口超过110亿以上时向火星移民。
载人探测火星很有意义，所以，一些航天大国很早就开始考虑载人登火星的问题，尤其是美国，先后出台过四个比较有影响的载人登火星方案。但由于多种原因，这些方案没有一项能够实施，目前正在研究新的方案。
即使现在的科技已经突飞猛进，但据航天专家庞之浩介绍，人类进军火星是充满艰险的征途，面临着必须克服的众多难题。
“一是飞行动力的问题。”庞之浩介绍，载人火星飞船的重量必然大于45吨的“阿波罗”载人登月飞船，所以首先需有比土星5号火箭推力还大的运载火箭，或采用多次发射，然后在近地轨道多次对接的方式实施。另外，从火星返回地球更为不容易，所以有志愿者愿买“单程票”。
二是人身保护和空气、饮食供应的问题。航天员在来往火星的过程中，会受到太阳风暴和宇宙辐射的影响，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，在途中和到达火星后，都需要保证航天员的氧气、饮水和食品的供应，目前能想到的方法一是采用再生式生命保障系统，二是就地取材生产。
三是人体必须适应新的环境问题。在飞往火星途中和到达火星后，航天员长期处于微重力和低重力状态，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，并会对心理产生重大影响。到达火星后，与地球差异很大的火星环境对人体也是个挑战和考验。
四是着陆火星和实时联系问题。登临火星实际上也是飞船进入技术问题，要经过离轨、过渡、进入大气层和软着陆四个阶段，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20分钟左右，故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信联系。
30年后登上火星比较实际
庞之浩介绍，对于长期失重引起的航天员肌肉萎缩，目前的主要对抗措施是加强航天员的体育锻炼。不过，目前在太空中进行的锻炼效果并不太好，所以还在进行新的探索。“克服失重不利影响的最好办法就是用人工的办法产生重力。”庞之浩说，但是由于技术上的困难，目前在航天中还无法采用人工重力作为防护措施。为了研究防止失重引起骨质丧失的好方法，航天医学家们正在继续努力，希望在人类进入火星前解决此问题。
此外，在火星飞行途中对宇宙辐射的防护可采用被动屏蔽方式，其最大缺点是质量太大。还可采用主动屏蔽方式，其缺点技术复杂，极难实现。所以，对于防辐射屏蔽技术还需进一步攻关。
据庞之浩介绍，解决上述问题最有效的办法是缩短载人火星飞船抵达火星的时间，这样就不会有长期太空飞行带来的生命保障、宇宙辐射、失重低重、心理生理、燃料备件等一系列问题。
美国曾计划研制核动力载人火星飞船，它是目前载人飞船速度的3倍。但核动力载人火星存在巨大安全隐患，因为在核动力火星飞船内航天员所受的辐射量相当于每天做8次X光胸透，目前还不可行。
前美籍华裔航天员张福林正在研制全功率可变比冲磁等离子火箭，如果成功，用39天就能抵达火星。然而，该技术何时能问世现在还不得而知。
不过，从目前人类达到的科技水平来看，这些难题都可以逐步解决，关键是需要投入大量资金和众多专家的集体智慧来攻关。“有鉴于此，30年后人类登上火星的计划还是比较实际的。”庞之浩这样说。
[科技日报]
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