中国2020年将探测火星起步虽晚却或“弯道超车”
原标题：中国2020年将探测火星，起步虽晚却有可能“弯道超车”
2019年被不少人称为“中国航天超级2019”，而即将到来的2020年，中国航天将进一步延续“超级模式”。日前，国家航天局首次公开了我国火星探测任务。据悉，我国将在明年择机发射火星探测器，开展火星全球性和综合性探测。
截至2016 年12 月，人类已进行了45 次火星探测活动。美国、俄罗斯、日本、印度、欧洲空间局等国家或组织都已制订了各自的长远的火星探测计划，全方位地开展对火星生命信息、环境、大气、岩石、水及内部构造等的探测与深入研究。根据天体运行的规律，人类探测火星的窗口，也就是探测器发射的最佳时间每隔26个月才有一次机会，所以我国的首次火星探测任务计划在2020年择机实施。按照规划，火星探测器发射后，大概需要经过200天左右的飞行，才能最终到达火星。
最近由上海科技教育出版社推出的《火星科学概论》获得了第七届中华优秀出版物奖，这本系统论述火星的权威性科学专著，为关注火星科学研究与火星探测进展的公众普及了火星科学知识。现选摘书中部分章节，以飨读者。
经过长期的观测和50多年的近距离探测，人类已经对火星有了一定的了解，在火星科学研究领域取得了巨大的成就，但这还远远不够。无论是火星电离层、火星大气层、火星土壤、火星内部结构，还是火星的形成与演化过程等，都存在着许许多多的科学问题有待我们进一步探索和考证。而火星作为地球的近邻，其表面是否存在或曾经存在生命，一直以来更是得到高度重视。探寻火星过去或现存的生命迹象，探索能否将火星改造成人类的第二个栖息地，将是未来国际火星探测的一大主流。
2020年中国火星探测工程要研究些什么？
我国火星探测起步较晚，但随着探月工程取得重要进展，我国已具备开展火星探测的能力。适时开展火星探测，可以在空间科学、空间技术和空间应用领域加速实现从跟踪研究向自主创新转变，实现从航天大国向航天强国迈进。
2016年4月22日，我国首次火星探测任务正式立项，计划在2020年通过一次发射实现火星轨道器环绕探测和火星车软着陆巡视探测。首次火星探测的科学目标是：通过环绕探测，开展火星全球性和综合性的探测；通过巡视探测，开展火星表面重点地区高精度、高分辨率的精细探测。
具体科学目标包括：
（1）研究火星形貌与地质构造特征。探测火星全球地形地貌特征，获取典型地区的高精度形貌数据，开展火星地质构造成因和演化研究。
（2）研究火星表面土壤特征与水冰分布。探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布，搜寻水冰信息，开展火星土壤剖面分层结构研究。
（3）研究火星表面物质组成。识别火星表面岩石类型，探查火星表面次生矿物，开展表面矿物组成分析。
（4）研究火星大气电离层及表面气候与环境特征。探测火星空间环境及火星表面气温、气压、风场，开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究。
（5）研究火星物理场与内部结构。探测火星磁场特性。开展火星早期地质演化历史及火星内部质量分布和重力场研究。
中国火星探测在10年内要解决哪些难题？
2030年前，我国火星探测的主要任务是环绕遥感探测、软着陆巡视探测和采样返回，实现对火星从全球普查到局部详查再到样品实验室分析的科学递进。
环绕遥感探测的科学目标着眼于对火星的全球性探测，致力于建立火星的总体、全局的科学概念；软着陆巡视探测科学目标着眼于对火星局部地区的重点探测，主要开展火星科学试验；采样返回的科学目标着眼于着陆点的现场调查与分析、火星样品的分析研究，主要开展比较行星学研究。
星空浩瀚无比，探索永无止境。火星探测等深空探测任务的逐步推进是一项长期而艰巨的工程，我们相信，通过航天人的不懈努力，中国的深空探测一定会不断取得突破，火星也必将是21世纪人类踏上的第一颗地外行星。
NASA火星之旅为什么要“三步走”？
2004年，美国提出了“新太空计划”，着手制造新一代宇宙飞船，主目标是在2030年前后把人类送上火星。2011年，NASA再次制订了详细的《2013—2022行星科学十年规划与展望》，囊括了美国未来十年行星探测的科学目标、发展规划及科学探测任务，把火星探测规划为重中之重，并明确了在21世纪30年代实现载人登陆火星的发展目标。在此基础上，2015年，美国NASA就火星探测发展政策和战略规划公布了《NASA的火星之旅——开拓太空探索下一步》，充分展示了美国加快火星探测步伐之决心。
2015年10月公布的《NASA的火星之旅——开拓太空探索下一步》，是一份人类登陆火星的详细计划。火星之旅将分三个阶段推进，每个阶段随着探索的距离更远也必将面临更多挑战。
NASA将通过渐进式的步伐开发和验证各项能力，从而解决相关难题。三大阶段分别是：
第一阶段：依赖地球阶段。依赖地球的探索将聚焦于在国际空间站（ISS）上开展研究活动，包括微重力试验和一系列相关测试研究，为宇航员的长期驻留提供技术支撑，以支持未来深空探测长期任务。
第二阶段：深空试验场阶段。本阶段的任务主要是探索在距离地球几天航程的深空环境中如何开展复杂的载人运行，提升和验证在距地球更远距离时（如火星上）人类生存和工作所需的各项能力。
第三阶段：独立于地球阶段。此阶段的活动将以上述前两个阶段为基础，使载人活动到达火星附近（如低火星轨道或某个火星卫星），并最终到达火星表面。未来的火星任务将由NASA和合作伙伴共同开展，探索在地球以外生命延续的潜在可能。
欧洲空间局“火星生命探测计划”为何走走停停？
2003年，欧洲空间局（ESA）提出了“曙光计划”，确立了欧洲未来30年太阳系探测的发展战略和路线图，提出以机器人和载人登陆火星为主，探寻太阳系中地外生命存在迹象，揭示太阳系起源。经过细化论证，2005年ESA正式发布了《宇宙憧憬2005—2025》，描述了未来20年空间科学的发展蓝图，指出火星探测是ESA未来10—20年将要开展的重要空间科学探测活动。2015年，ESA公布最新的《空间探索战略》，火星仍是其重点探索目标。
ESA在《空间探索战略》中提出，火星是其三个优先探索目标之一，主要任务包括“火星生命探测计划”（ExoMars）系列任务和火星机器人探测预备任务。其中最为突出的一点就是广泛的国际合作。ESA特别指出，当前处于筹备期，潜在的国际合作伙伴包括美国、俄罗斯、加拿大、日本、中国等国的国家航天部门以及私营部门。
在任务路线图方面，ESA未来火星空间探索的主要活动是通过ExoMars系列任务开展火星生命演化研究，确保欧洲在国际火星取样返回中占有一席之地，与俄罗斯建立战略伙伴关系，参与首次火星采样返回任务及未来的载人登陆火星。
根据《空间探索战略》，ExoMars系列任务迈出了ESA探索红色星球的第一步。事实上，ExoMars在2005年就通过了ESA成员国的正式批准，此后该计划有几次几乎停止。在美国放弃将ExoMars 作为优先任务后，俄罗斯联邦航天局作为新的合作伙伴加入ExoMars任务，为ExoMars两个项目提供关键部件和科学仪器，包括为运送卫星的“质子号”火箭提供到达火星所需的一切硬件。ExoMars任务的预算约为13亿欧元。
俄罗斯火星探测器啥时候能发射？
俄罗斯没有因早期（苏联时期）火星探测系列任务和2011年“火卫一—土壤号”火星探测任务的失败而气馁。2012年3月，俄罗斯联邦航天局制订并公布了《2030年前航天活动发展规划》草案，其中涉及建立火星试验站等一系列目标。2012年4月，其又制订了《2012—2025太阳系探测总体规划》。这两份规划都把火星列为首要探测目标。2016年3月，俄罗斯政府批准了《2016—2025俄罗斯十年太空计划》。
《2016—2025俄罗斯十年太空计划》指出，俄罗斯未来10年将把精力集中在金星近地轨道、太空辐射和太阳活动的研究。
在以对火星土壤进行检测、采样返回的“大卫一—土壤号”任务失败后，2014年，俄罗斯重新提出自己的火星土壤采样返回的Expedition M任务，更改为“火卫一表面探测和土壤采样返回”任务，并纳入2015年财政预算，共计约51亿卢布。Expedition M探测器计划于2024年使用安加拉5型（Angara 5）火箭发射。该任务将为2030年的火星采样返回作准备。
日本为什么要以月球为中转站奔赴火星？
2005年，日本制订了跨越20年的航天发展路线图，即《日本宇宙航空研究开发机构长期发展规划——JAXA2025》，提出了未来20年空间活动的发展目标、发展方向、发展规划与设想。该规划指出，下一代太阳系探索的重点是实现探测器飞往火星，重点探测火星气候。总体思路是首先建立月球基地，以月球作为中转站奔赴火星。
1998年7月3日，日本首个火星探测器“希望号”发射升空，使得日本成为世界上第三个发射火星探测器的国家。但是“希望号”在太空中艰难飞行了5年之后，于2003年12月9日宣布失败。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）计划最早于2022年发射飞向火星的卫星——火卫一和火卫二的探测器，将利用小行星探测技术，首次从火星卫星上带回沙子、岩石等样本加以研究。
2007年，印度空间研究组织（ISRO）正式对外发布探测火星计划。2012年8月计划启动，2013年11月15日“曼加里安号”火星探测器发射升空，2014年9月成功进入火星轨道，在500km � 80000km椭圆轨道上开展科学探测任务。印度成为亚洲首个成功进行火星探测的国家。“曼加里安号”的成功，大大激发了印度对火星探测的雄心，目前SRO已启动了后续火星探测任务的论证工作。
作者：欧阳自远、邹永廖等