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導讀

中

美阿這三國，他們的火星探測任務到底是啥呢？進展如何？

文章背景：

在天問一號2021年5月15日登陸火星之前，

袁嵐峰老師和中科院國家空間科學中心研究員周炳紅、劉勇做了一場“火星探測”主題直播，本文是錄播第一集的文字版本，共有三集。

影片連結：

西瓜影片：

https：//www。ixigua。com/6963555545135448584

本影片釋出於2021年5月18

日，觀看量已超95萬

精彩呈現：

主持人

袁嵐峰

中國科學技術大學副研究員、中國科學技術大學科技傳播系副主任、中國科學院科學傳播研究中心副主任

袁嵐峰：

大家好，歡迎大家來到我們的火星直播的現場。今天我們非常榮幸地邀請到我的兩位老朋友，中國科學院國家空間科學中心的研究員周炳紅老師和劉勇老師，周老師跟大家打個招呼。

嘉賓

周炳紅

中國航天科普大使、空間科學傳播專家工作室副主任、中國科學院國家空間科學中心研究員

周

炳

紅：

大家好。

袁嵐峰：

周老師是我的科大師弟，他主要是研究火箭推進劑的。然後劉勇老師他主要是研究行星探測的。

嘉賓

劉勇

中國航天科普大使、空間科學傳播專家工作室執行主任、中國科學院國家空間科學中心研究員

劉勇：

大家好。

袁嵐峰：

周炳紅老師和劉勇老師最近還剛得到一個很高的榮譽，叫做中國航天科普大使。

劉勇：

是的。

袁嵐峰：

祝賀你們，也感謝你們為我們國家的科普事業做出了貢獻。而且你們兩位最近好像剛組織了一個工作室是吧？

劉勇：

那個是一箇中國科協的專案，就是我們叫空間科學傳播專家工作室，就是跟大家一塊，跟周老師一起傳播空間科學，跟我們國家空間探測有關的專案，包括火星探測，我們也非常關注。

袁嵐峰：

對，這個是中國空間科學學會組織的工作室是吧？這也是你們工作室，實際上第一次正式亮相是吧？第一次就是來上這個節目，也希望你們工作室越做越好，更多地來跟我們合作，向觀眾來傳播我們的空間科學。

劉勇：

好的。

袁嵐峰：

我們這次直播的主題是火星探測，就是在我們今年春節的前一天，我們的火星探測器天問一號，是已經成功地環繞火星，完成我們繞落巡那三步走的第一步，環，環繞這一步，我們至少已經完成1/3了。

但是與此同時，很快地就是美國和阿聯酋的探測器，他們也是接近火星了，甚至都已經下去了。所以他們各自的進展怎麼樣，來向大家介紹一下。

劉勇：

其實阿聯酋那個是最早最先到的，美國的事實上已經降下去了，它們這一次很奇怪，都說火星探測非常難，這三個任務，基本上另外兩個都已經完成了第一個目標，而中國其實也完成一大半了。

袁嵐峰：

是，這次大家居然都取得了至少是一部分的成功。所以現在這個狀況就是說，首先我們這是一個三國演義，有三家去探，很熱鬧，然後這三家都取得了一定的成功。中國是在環繞，然後將來是要往下降。然後阿聯酋它的目標就是環繞，所以它已經做到了。

劉勇：

我總覺得阿聯酋，感覺上就是別人做一張卷子，然後他花了點錢，然後把名字改成他的了。是給我這種印象，當然就是說，其實阿聯酋這個國家，它也有這樣一個心思花錢來進行火星探測，也為人類太空探索事業做出貢獻。

袁嵐峰：

是的。這無論如何我們應該是鼓勵的，他願意為太空探測事業做貢獻，這總是好的，我們不應該去打擊他是吧？當然我們也希望他在這個過程當中，更多地提高水平，將來能夠做出更多的貢獻。

那麼中美阿這三國，他們的火星探測任務到底是啥呢？

劉勇：

阿聯酋就是一個環繞器，它是一個測火星的氣象，好像火星的全球氣象以前也沒做過，這會是一個很有意思的任務。

美國的是毅力號，因為美國其實之前做過很多工，它這次就只做一個，就是叫火星車落下去，這個毅力號火星車還帶了一個無人機，這個事也是，我其實很多年以前我就想過這個，在火星上，因為它有大氣，所以無人機可以飛起來，我當時想的就是用無人機去探洞，火星上有些洞穴可以去探索，當然美國這次的無人機它不是去探洞，它主要還是，就是說能夠擴大它的搜尋範圍。

袁嵐峰：

它是驗證飛行，它這個無人機其實並沒有任何科學目標，它只是驗證一件事，就是這個東西能飛起來，因為它要充電好長時間，然後才能飛那麼幾分鐘。

周

炳

紅：

美國這個探測器它還帶了一個很有意思的載荷，一個很小的載荷，就是它要用火星上的二氧化碳來製備氧氣。對氧氣，甚至之後要測試它做成液氧，也就是為了將來，在火星上原位製備火箭推進劑，做技術驗證。

袁嵐峰：

是，這是非常重要的一個基礎研究。火星上第一，它是有大氣的，雖然大氣很稀薄，大概是地球大氣的1%，但是它有大氣，這跟月球是一個質的區別，月球是沒大氣，然後它大氣的主要成分是二氧化碳，它是95%的二氧化碳，這二氧化碳裡邊有氧元素，所以就可以把它，經過化學反應就可以製出氧氣來，這個如果真正能成功的話，對將來的火星探測是非常有用的。

周

炳

紅：

對，而且將來還可以制甲烷。從水裡面分解出氫氣和氧氣，然後再跟二氧化碳反應，可以製備甲烷，所以現在SpaceX發展可重複火箭，包括星艦火箭，它都用液氧和甲烷推進劑，所以這個推進劑最重要的兩點原因，一個就是將來準備在火星上製作回來的推進劑，還有一個就是，這個甲烷推進劑可以重複使用，它是一個單鏈，就CH

4

。

袁嵐峰：

它沒有鏈。

周

炳

紅：

不像煤油，對，沒有鏈。那個煤油的話，它是很長，就容易結焦，就會有各種結焦的問題。

袁嵐峰：

它會變成焦炭是吧？

周

炳

紅：

對焦炭就沒法，不好重複使用，會把發動機管道給堵住了。

袁嵐峰：

是，可見美國是做了一個非常長遠的計劃，就是為了將來載人登火星，或者在火星上建立一個可以移居的地方，做長遠的準備。我印象中美國還有一項任務，就是說它是要在火星上取樣，但是不是立刻返回，它這次回來不了，它先取了樣然後存起來，然後等到再下一次任務，再去把它取了，然後再發射上來，然後再被另外一個探測器把它接入，然後再拿回來。

周

炳

紅：

是這樣的，它這次去是把樣品先存在那兒，那麼下一個發射視窗，大概是，應該還過4年，就2026年的時候，美國會再發一個探測器，就是去接那些樣品，把那些樣品收集起來，然後再上來。但是回來它那個火箭的運載能力還不夠，是用歐洲再發一個火箭去，同時也是在按計劃的話也是2026年過去。回來的時候2028年，歐洲發這個火箭過去，它回來的時候就是用電推進才能回來。

就是說，為了把這個樣品，從火星上返回，需要的運載能力要求是非常高的，需要三發火箭。但兩發火箭不是說不可以，也可以，那你取的樣品就很少，你不能到處去收集樣品，就是你靈活性就很差，是這樣的。

袁嵐峰：

那這真是成了一個非常浩大的一個國際工程了，不但是美國一家的事了，歐空局也來了。

周

炳

紅：

對。

袁嵐峰：

但是這個環節越多，它失敗的可能性就越大是吧？但凡有任何一個環節掉鏈子，都拿不回來。

周

炳

紅：

我們中國也開始在論證火星取樣返回的計劃，也可能是2028年2030年，這個現在還沒立項，那麼相比來說這次的阿聯酋，其實它的航天能力就很弱，這裡面你看它有很多短板，就缺項，就打個比方，它沒有火箭，所以它是用日本的火箭發射的。

袁嵐峰：

是，然後日本也刷了一把存在感。

周

炳

紅：

對，還有就是它沒有測控，所以它的測控站，通訊什麼的，是美國人幫他完成的，是NASA。

袁嵐峰：

您是說去火星的路上是吧？是誰在那兒導航。

周

炳

紅：

對，導航和測控，包括資料回傳都是靠NASA。然後它的科學載荷其實它也是合作的，好像是三個載荷，它其實是美國兩個大學，一個是叫科羅拉多大學，還有一個是亞利桑那大學，這都是行星科學很有名的大學，我們做小天體我們也知道，亞利桑那大學是因為它那裡就有個，亞利桑那邊上有個很大的隕石坑，也發現那個巴林傑隕石坑（BarringerMeteor Crater），就在那，這是研究得最充分的一個隕石坑，所以亞利桑那大學。

對，他們那就有很有名的行星科學家。

袁嵐峰：

那要這麼說的話，大家會問，到底有什麼東西是阿聯酋自己做的，那感覺是啥都沒有。

周

炳

紅：

對，所以他主要是跟他合作，因為阿聯酋特別有錢嘛，對吧？最有錢的那個叫什麼？

袁嵐峰：

迪拜的大公。

周

炳

紅：

迪拜就是阿聯酋的一部分，聯合嘛，它是好多這個。

袁嵐峰：

阿聯酋其實是7個城市的聯合。

周

炳

紅：

對，他人很少。

袁嵐峰：

所以這是一個非常有趣的狀況。說完了美國和阿聯酋，那我們自己的呢？天問一號有多少任務？我們前面還有多少關卡在等著我們。

周

炳

紅：

劉老師講講。

劉勇：

我覺得最關鍵就是我們要能成功地落下去。說真的，我覺得航天任務都是，大家都知道挑戰力非常大，去火星，我有一次在中央電視臺，我說你看前蘇聯去火星就跟中國足球隊衝擊世界盃一樣，去一次死一回。

袁嵐峰：

我怎麼感覺這是中國足球隊得到的評價最高的一次，跟一個這麼高大上的聯絡起來了，好吧。

劉勇：

但是事實上近些年來，成功的機會還是比較大的。基本上從近些年來，特別是2000年以後的這些年，基本上都是成功的比失敗的要多很多，而且完全失敗的好像就一次。

袁嵐峰：

對，就是我們那一次，我們搭乘俄羅斯的火箭去火星，但是給炸了。

周

炳

紅：

但是這個著陸還是非常困難，因為現在真成功著陸火星的，就美國一家。

袁嵐峰：

不是，歐洲不也落了個東西上去嗎。

周

炳

紅：

歐洲嘗試了，但是也是硬著陸了，砸壞了。蘇聯也嘗試了很多次，都沒有成功，所以著陸這一關，大概還是非常難的一件事情。

袁嵐峰：

是，歐洲是有一個環繞器，它還在工作。

對，環繞器工作很多很多年了。

周

炳

紅：

對，這次還會幫我們傳一些資料。

袁嵐峰：

那個叫火星快車是吧？

周

炳

紅：

它不叫火星快車，它叫什麼？它叫痕跡成份探測儀

劉勇：

很複雜的一個名字。

袁嵐峰：

但是我印象中那個是創造了一個奇蹟是吧？因為工作時間遠超預期，直到現在它還在不斷地傳回資料。

這是一個很大的成功，但是歐洲這是屬於巧實力的成功了，那個硬碰硬的他還是沒做到，他們其實是有一個歐洲的火星車的計劃，但是那個計劃推出了好多次了，錯過了一次又一次的視窗。

周

炳

紅：

這次本來要發射的，後來又推遲了。

袁嵐峰：

它本來也應該在2020年發出來，然後它又沒了，所以你看著火星很熱鬧，其實它本來應該是4家，而不是3家的。

周

炳

紅：

對。

劉勇：

所以中國這次，我覺得如果能夠成功地落下去的話，對於中國航天來說會是一個很大的成功。

袁嵐峰：

沒錯沒錯。

周

炳

紅：

非常大的里程碑。

袁嵐峰：

那樣的話，你就很明確，你是在歐洲前面了。

周

炳

紅：

對。

袁嵐峰：

那麼我們來介紹一下美國，它前面探測火星其實都已經有8次了，他們取得了一些什麼成果呢？

劉勇：

我覺得美國很好的就是，他每次是一開始就做了一個，就是Pathfinder，它的火星車越做越大，最開始是一個探路者，就是告訴大家，我們就花這麼點錢，就能夠去火星，那火星車多大，就一個微波爐那麼大，就那麼小一個車，然後它上去，它也做了一些工作，然後到現在的毅力號，其實毅力號超過一噸了，之前的比方說像Spirit，我們叫勇氣號，還有機遇號，都取得很多很有意思的成果，比方說找到水，還有在火星上找到一些，似乎是水流沖刷的痕跡，這些都是它們在後期取得的，很好的很有意思的成果，還找到一些水合物，就是我們現在還面臨的一些問題，都是在他們前面做的研究的基礎上。

袁嵐峰：

是，這樣的話美國那個研究，事實上對於我們確定我們的火星車要落在火星上什麼地方，其實也是很有幫助的是吧？要不然我們也很難確定你到底該落到哪兒去，我們現在最後我們是要落在一個叫做烏托邦平原的地方，是吧？

周

炳

紅：

我補充一個就是，美國的火星探測，它其實經歷了一個科學目標的轉變的過程，就是我們對宇宙的探索，它其實主要分成兩大塊的知識，第一大塊就是說是宇宙的起源和演化，對於火星任務來說，就是太陽系的起源和演化。那麼第二大塊就是說，生命的起源和演化，火星適不適合生命，所以現在大家都轉向，主要的目標轉向生命相關的。

袁嵐峰：

以前難道不是嗎？

周

炳

紅：

以前開始的話是想研究太陽系的起源也好，太陽系的起源包括兩部分，一個是太陽，一個是各個行星，因為火星是很特殊的。其實就是你看這個行星的排隊，火星在地球和木星之間，按道理說，如果是我們太陽系剛開始形成，是一團氣體雲形成的，那麼火星應該比地球大，比木星小。

袁嵐峰：

為什麼？越往外的越大嗎？

周

炳

紅：

因為在那，它那個地方應該，越往外半徑越大的話，它當時形成的是積聚形成的，它的半徑就應該更大。

袁嵐峰：

它可聚集的物質更多是吧？

周

炳

紅：

對，其實這就是一個非常大的謎團。對，當然後來是提出了一些猜測，就是在太陽系早期形成過程中，木星發生了很大的遷徙，它在各種那種星子，就是千公里級的星子的引力作用下，木星先往裡走了，往裡走的時候就把有些星子給甩出太陽系了，這樣就是火星那個位置有些物質就被甩走了，還有就是火星和木星之間形成了一個小行星帶，那裡本來應該也有顆小行星的，有個大行星的，結果沒有了。

袁嵐峰：

它給分散成了很多小行星，什麼穀神星之類的是吧？

周

炳

紅：

對。所以早期其實很多關心這種太陽系形成演化的問題。

袁嵐峰：

OK，這確實也是一個更加基礎的問題。

周

炳

紅：

對，就包括上一個的，它還在工作的那個探測器，它打洞，它打洞其實是為了幹什麼？

袁嵐峰：

洞察號。

周

炳

紅：

對，洞察號，它要洞察就是往深處去探測。它要打洞就是想轉很深，其實是想埋一個熱流計，測量它火星從裡面往外散熱的速率是多少。

袁嵐峰：

可惜打洞失敗了。

周

炳

紅：

測的這個有什麼用呢？就可以看我們這個火星要多長時間才能冷下來，也就是說火星的核，到底什麼時候停止了轉動，因為裡面如果很熱的話，它裡面有流動的話，那麼火星是有個發電機，就會有，火星就有磁場，所以它是這樣來研究行星的變化過程的。

袁嵐峰：

我來向大家解釋一下，就是火星現在的狀態它是沒有磁場，而且它也沒有地質活動了，因為它裡面沒能量了，但我們知道它以前肯定是有的，比如說火星上有很多很高的山，什麼叫做奧林匹斯山，那個山的高度是2萬多米，比我們的珠穆朗瑪峰要高出兩三倍，它怎麼會這麼高呢，那就是火星當初的火山活動噴出來的，但它現在已經沒有了，所以它肯定是在某個時間它這個磁場，它那個熔岩冷卻下來了，磁場就沒了，但到底是什麼時候？

周

炳

紅：

很具體的就需要各種定量的測量。

袁嵐峰：

但是非常悲劇的是他那個打洞失敗了是吧？他一直沒有打下去，然

後

我看到一篇很專業的文章來分析他打洞為什麼失敗

［1］

，是因為他當初在地球上做模擬的時候，拿一些真實的岩石土壤模擬的時候，取的那個樣本，其實你已經模擬出來了，就拿一個跟火星相近的樣品你會發現打不下去，但是那個時間來不及改，然後他們就換一個樣本，他把樣品給改了，然後它就可以打下去，它就這樣稀裡糊塗上天了，然後真到那之後發現還是打不下去。所以你不能去胡亂改變你的模擬的條件，就得到這樣一個教訓，讓人覺得很哭笑不得的一個結論。

而且他那個探測器是德國做的，德國人搭乘美國的火箭上天，結果到了火星之後，真到了它發揮用場的時候，發現最基本的打都打不下去，所以讓德國的探測器也給白瞎了，這是非常可惜的事情。

但總之美國還是取得了非常重大的成果，就是說它發現火星上有水，而且它在火星地底下也有水，就現在發現火星上的水有兩種，一種是固態的，就是冰，比方說兩極的地方，它有很多這種水的冰，當然也有所謂乾冰，那其實是固態二氧化碳，另外一類是在地下很深的地方，你比方說地下幾十米，還有很多液態的水，你說火星上怎麼會有液態的水，那麼冷，答案是那是一個鹽分很高的水，它是一個滷水，它可能在零下幾十度它也沒結冰，可見那個鹽分肯定非常高，但是再怎麼高它也是液態的水，它還有可能有生命存在的。

所以地球上其實都已經有這種東西了，地球上不管是火山旁邊，還是一個冷泉旁邊，還是一個熱泉旁邊，或者是一個沒有氧氣的地方，各種稀奇古怪的地方，居然都會有生命存在。它可以不用光合作用，它可以不用太陽光，但是它可以依靠當地的一些化學反應，比方說那兒有個硫酸鹽有個硝酸鹽，它就分解這些東西它都可以存活。

所以在這個意義上火星上是完全有可能有生命存在的。

所以我們現在火星探測的主要任務就是去那兒找生命了，如果你在火星上找到一個生命，那絕對是一個爆炸性的成就是吧？這是人類第一次在外星球找到生命。

下面我們再來談資金的問題，美國這次火星車毅力號，它官方的耗資是27億美元，那我們花了多少錢？

周

炳

紅：

我覺得花多少錢可能不是太好說，但是呢。

袁嵐峰：

可見你真的知道是吧？

周

炳

紅：

其實也不是很清楚，因為這個錢他怎麼界定他花的錢，但是有一個我們可以用科學的方法，來估算一下他要投入多少人力和物力，就是投入多少人年。像美國它不是總共花費是27億美元，那麼其實NASA是有公開資料，就是他們平均一個人一年會使用多少研究經費，大概是50萬美元，所以你這樣算下來，美國投入到這個的，完整的人年數大概就是6000人年，但這6000人他不會說只做這一件事，像我們其實會同時有一般有3-4個專案來做，如果按4個專案，意味著美國毅力號這個任務，它是應該投入了6000人左右，持續了4年時間，每年平均投入每個人投入3-4個月，這種量級也就是6000人左右，所以可能估計中國大概這個人數會差不多就萬把人左右，稍微再估計一下。那麼4~5年時間，這種投入是有的。

袁嵐峰：

所以我們能夠估計出人年，至於花的錢是多少，大家就可以自己去估算了。

周

炳

紅：

對，其實也可以估算。

袁嵐峰：

這已經是一個非常專業的估算了。

劉勇：

從我的角度來講的話，我們中國的航天相比美國的航天，我們花的錢，我們通常是花小錢辦大事。

我們的嫦娥工程花的錢，相比阿波羅工程花的錢要少得多了。我們現在每年的航天的預算基本上跟美國是1：10這樣一個關係。

袁嵐峰：

是，是比人家差一個量級的。

劉勇：

對，但是我們中國航天還是做出了很多。

周

炳

紅：

但做的任務數量其實差不多了，你看火箭發射數是差不多，基本上是1：1的關係。

袁嵐峰：

你是說什麼的任務數量是差不多了。

周

炳

紅：

就航天任務。

袁嵐峰：

你是說一年發射多少火箭是吧？

周

炳

紅：

對。

袁嵐峰：

但是這個還是指的官方的，你如果把SpaceX算上，它一家又超過了其他所有官方的。

周

炳

紅：

它數量多，它衛星數量特別多，但總的發射次數，美國跟中國是1：1，加起來，包括SpaceX。

袁嵐峰：

OK，好像一年只是發射30多次是吧？

周

炳

紅：

對，我們這兩年看，有的時候還比他多一兩次。

袁嵐峰：

是。

周

炳

紅：

反正基本上1：1，就任務的次數。

袁嵐峰：

所以我們花小錢辦大事，這個模式不可能永遠持續的，將來我們一定要過渡到花大錢辦大事這個階段，否則你就不可能辦成。

周

炳

紅：

他除了這些我們能看到這些航天任務，他其實為長遠也做了很多儲備，這是一個，還有就是它裡面會用一些更昂貴的技術，比如說他們為載人登火已經在預先研究這些核火箭發動機什麼的。

袁嵐峰：

嗯。

劉勇：

其實我在美國的時候也有這個體會，航天這個行業還是高風險，但是有的時候你會覺得它很保守，為什麼這麼說呢？因為一個東西要上過天了之後我才能用它。但是誰會敢第一次嘗試讓它上天呢？

袁嵐峰：

第一個吃螃蟹是特別困難的

周

炳

紅：

這是個矛盾。

劉勇：

所以航天是需要去嘗試新技術的，但是為了保證這個任務成功，我們又不得不用一些成熟的技術，包括我以前在美國參加一些衛星計劃，他們上天那些載荷。

袁嵐峰：

你在美國的時候都已經參加過衛星計劃了？您在NASA工作過嗎？

劉勇：

我是在美國大學裡頭，我給他們做。

袁嵐峰：

讀書的時候就參與了。

劉勇：

讀書，然後後來工作，我是做儀器的資料定標，資料標定。所以我就要接受我要很清楚地知道儀器的資料，各種噪音、各種因素影響。

袁嵐峰：

那叫做calibration是吧？

劉勇：

對，calibration。反正是一個很燒腦的工作。

袁嵐峰：

其實是要找出各種各樣的噪音的源頭是吧，然後再把它扣除掉。

劉勇：

他們有一個詞叫data mining。就像挖礦一樣。

袁嵐峰：

資料探勘。

劉勇：

對，就是你把一大團的石塊，可能裡頭只有這麼小一點是金子的這種感覺。