揭秘凤凰号火星探测计划

本报记者李学华

美国宇航局喷气推进实验室5月25日宣布，美国西部时间2008年5月25日16时53分(北京时间26日7时53分)，“凤凰”号火星着陆探测器成功降落在火星北极附近区域。

“凤凰”号有何与众不同之处？它肩负着什么样的使命？它在火星上又有哪些新发现？综合来自美国宇航局的各种报道和资料，让我们对“凤凰”号火星探测计划作一回顾。

一飞冲天

美国东部时间2007年8月4日早晨5点26分34秒，搭载“凤凰”号探测器的德尔塔Ⅱ型运载火箭，从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的SLC-17A发射台顺利发射升空。耀眼的光芒刺破了黎明前的天空，“凤凰”号开始了大约10个月6.79亿公里的火星之旅。

这次发射使用的德尔塔Ⅱ-7925型火箭，是专为发射中型卫星和机器人探测器而设计的三级运载火箭，第一级采用液体燃料，外加9个捆绑式的固体燃料助推器；第二级采用液体燃料；第三级采用的则是固体燃料。连同安装在火箭顶部的“凤凰”号探测器在内，火箭总高度为39.6米，加注燃料后的总重量为231126公斤。由美国波音公司和洛克希德-马丁公司合资成立的联合发射同盟提供火箭及相关服务，美国宇航局肯尼迪航天中心负责发射。

火箭发射时间是根据天体运行规则来计划的。众所周知，地球和火星都在绕着太阳运转，只不过地球的运转轨道更靠近太阳，火星的运转轨道离太阳远一些。每隔大约26个月，地球和火星会有一次接近的机会，那时两者之间的距离最近，天文学上称之为“冲”(Opposition)，此时火星运行到与地球和太阳成一条直线的位置，火星和地球隔着太阳遥遥相对。因此要使通往火星的行程最节省，最佳的发射时间应当在此“冲”期来临之前几个月。2007年12月18日，火星和地球将又一次“亲密约会”，两者相隔只有8800万公里。科学家将这个距离、发射火箭的动力、飞船重量以及要登陆火星的地点等因素综合考虑在内，计算出最佳的发射窗口日期应当是2007年8月3日至24日。但是，由于8月3日当天大雨滂沱，使得火箭燃料加注无法进行，因此不得不推迟到4日早上进行发射，此时地球和火星之间的距离为1.95亿公里。

在和德尔塔火箭的第三级分离后，“凤凰”号探测器开始与位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠的美国宇航局深层太空网络戈德斯通讯站进行无线通讯。探测器进入巡航轨道，打开太阳能板，确定对准太阳的方向，并且旋转到最佳角度，以利于接受太阳能和与地球通讯。

火星一瞥

“凤凰”号火星探测器的发射，是近几十年来人类在探索火星的征途上发起的新的冲击。这颗“红色星球”究竟有何与众不同之处呢？

火星是太阳系八大行星之一，按离太阳由近及远的顺序排列为第四颗，它有很多特征与地球相似。它和地球一样有着一年四季的变化。它的自转与地球十分相似，自转一周为24小时39分35秒，火星上的一昼夜相当于地球上1.027个昼夜。火星在椭圆轨道上绕日公转，其轨道近日点为2亿670万公里，远日点为2亿4920万公里，火星公转一周约为687个地球日，火星的一年约等于地球的两年。火星赤道倾角为25度，赤道平均直径为6780公里，约为地球的一半，体积不到地球的1／6，质量仅是地球的1／10左右，重力加速度仅为地球的38%。火星的内部和地球一样，也有核、幔、壳的结构。火星大气比地球稀薄，其中95.3%%是二氧化碳，约2.7%%是氮，1.6%%为氩气，还有数量极少的氧和水汽等，气压仅为地球的1%。

火星表面的平均温度为零下53摄氏度，稀薄而干燥的大气使它表面的昼夜温差常常超过100摄氏度，其极地夜晚的温度可达零下128摄氏度，而赤道正午的温度则为27摄氏度。沙尘暴是火星的奇特现象之一，局部的沙尘暴在火星上经常出现，有时候风速差不多是地球上12级台风的6倍，这种沙尘暴往往会覆盖半个甚至整个星球。

根据探测资料，火星表面上的地理特征主要有环形山和火山、峡谷、河床等。其中最引人注目的特征是位于赤道地区的大峡谷，最大的水手谷由一系列峡谷组成，在赤道地区延伸5000多公里，比周围地面低6公里。

死亡星球

火星是一个危险的目的地。40多年来，世界各国先后向火星发射了30多个各类探测器，但其中一多半都以失败告终，所以火星一直被称为“探测器的坟场”和“死亡星球”，因为火星上的一块石头或者一阵狂风都有可能破坏掉人类的探测计划。

1960年—1964年，前苏联发射了系列火星探测器，全部失败。

1964年—1972年，前苏联再次发射“火星”系列和“宇宙”系列探测器，大部分遭到失败。1971年发射的“火星3”号着陆舱是第一个到达火星表面的探测器，但仅发送了20秒钟信号就与地球失去了联系。

1964年—1970年，美国发射了“水手”号系列探测器，其中有4个成功地探测了火星。

1971年11月，美国发射“水手9”号进入火星轨道，拍摄了70%%的火星表面，并从根本上否定了火星存在运河的说法。

1973年7月，前苏联发射“火星5”号，进入火星轨道后，成为火星的人造卫星，并发回首批火星照片。

1973年8月，前苏联发射“火星6”号，在着陆过程中对火星大气进行了观测，发回了火星大气参数。

1976年7月和9月，美国“海盗1”号、“海盗2”号探测器先后在火星表面成功软着陆。

1988年7月，前苏联相继发射的“火卫1”号、“火卫2”号探测器均告失败。

1992年，美国发射“火星观察者”探测器，失败。1996年，俄罗斯发射“火星-96”探测器，失败。

1996年11月和12月，美国成功发射了“火星环球勘测者”轨道器和“火星探路者”着陆器。

1998年底和1999年初，美国发射“火星生命计划”第二批探测器“火星气候探测器”和“火星极地着陆者”号，都功亏一篑。

1998年7月，日本用M5运载火箭发射了其第一个火星探测器“希望”号，但在将要进入火星轨道之际，因出现故障与地面失去联系。

2001年4月，美国成功发射“奥德赛”火星探测器。它所携带的复杂仪器能把有关火星上水的现状及其深度、火星表面的地质构造和所受辐射的特征数据传回地球。2002年3月，美国宇航局宣布，“奥德赛”火星探测器传回的火星南极图像和数据表明，火星上有大量的水冰，从而再次激发人类对火星探索的热情。

2003年6月2日，欧洲航天局发射了自己的第一个火星探测器———“火星快车”，着陆器在即将着陆时失踪。

2003年6月和7月，美国先后发射了“勇气”号和“机遇”号孪生火星车。它们顺利着陆后，在火星表面进行了大范围探测，并通过所携带的高精尖仪器，向地球传回了许多火星表面图片和有关火星岩石、土壤和大气等其他有用数据，其中最重要的是找到了一些火星上有水的证据。它们至今仍在超期服役。

2005年8月，美国“火星勘测轨道飞行器”升空。该探测器是当今世界最先进、最大的人造火星卫星，携带了最先进的太空探索装备，能拍摄有史以来最清晰的火星地表图片，可进一步研究可能有水的区域，在成像任务完成之后，它还将为火星着陆器转发数据。

特殊使命

关于火星上是否有生命的争论已经持续了许多年。科学家们预测，像地球一样，火星在诞生之初曾拥有大量水。为了彻底搞清这一重大问题，从1996年起，美国开始实施“火星生命计划”，即每隔26个月发射1个—2个不载人火星探测器，以便最终确定火星上是否存在生命。

根据2001年发射的“奥德赛”号火星探测器上的射线光谱计的测量数据显示，在火星北极地区表面下50厘米厚的土壤层中存在大量冰水，其质量可达50%，南极地区的冰沉积物则更多。所以，美国制定了以寻找水为核心的火星探测战略，“凤凰”号就将是第一个在火星北极地区着陆的探测器。

“凤凰”号由美国宇航局下属的喷气推进实验室负责管理，造价4.2亿美元，几乎是造价8.2亿美元的“机遇”号和“勇气”号的一半，这两个孪生探测器于2003年发射，目前仍在火星上漫游。

“凤凰”号探测器的名称有着特殊含义。1998年美宇航局发射的“火星气候探测器”因在度量单位上出现错误，结果在靠近火星时被烧成灰烬。而次年发射的“火星极地着陆器”在火星南极点着陆时，因火箭发动机提前关闭，从此下落不明。这两个探测器的残骸迄今尚未被发现。“凤凰”号探测器的设计人员吸取了前两个探测器失败的教训，对部分原来使用的仪器进行了改良，增加了部分仪器。美国科学家希望，这个新的探测器能够像它的名字一样，如凤凰涅槃般浴火重生。

“凤凰”号预定降落在火星北极瓦斯蒂塔斯—伯勒里斯平原，着陆点为北纬68度，东经233度，比先前的太空船着陆火星的位置更加靠北一些，相当于地球上的加拿大北部。“凤凰”号探测器是一个固定着陆器，它将在为期3个月的任务时间内，利用先进的挖掘臂深挖火星着陆地点附近的含冰土壤，在其微型火炉中加热土壤样本，研究其化学构成。“凤凰”号的主要任务是研究火星上水的演变历史，确定北极地区的土壤中是否存在支持生命活动的条件，研究火星极地的气候、天气等。

一般认为，液态水、有机物质和稳定热源是生命存在的三要素。为了避免“凤凰”号无意之中将地球有机物带到火星，技术人员在准备探测器发射时就已采取了严格措施。“凤凰”号经过了干热处理和精密清洗，其表面微生物数量已降至最低。另外，作为防污染的举措之一，它的机械臂还被封存于特殊材料之中。

七种武器

“凤凰”号探测器是一个由3条腿支持的平台，平台直径1.5米，高约2.2米；其中心是一个多面体仪器舱，舱左右两侧各展开一面正八边形太阳能电池阵，跨度5.52米。与“火星极地着陆器”相比，“凤凰”号探测器的最大变化是提高了太阳能电池的性能。“凤凰”号探测器携带了7种科学探测仪器，美国宇航局工作人员把它们戏称为7种探索火星生命来源的“秘密武器”，它们分别是：

(1)机械臂(RA)

它是“凤凰”号探测器上最重要的设备，用来挖取火星表面及表面下层的土壤样品。它将挖得的样品送入着陆器搭载的“显微镜电化学与传导性分析仪”和“热与气体分析仪”中进行化验分析。

机械臂长2.35米，有4个自由度，末端装有锯齿形刀片和波纹状尖锥，能在坚硬的极区冻土表面，挖掘1米的深坑。机械臂还可为装在臂上的相机调整指向，引导测量热与电传导性的探测器插入土壤。

(2)显微镜电化学与传导性分析仪(MECA)

它是在“火星勘探者”计划中所使用的仪器基础上略加改进而成的，包括湿化学实验室、光学显微镜、原子力显微镜和热与电传导性探测器4台仪器，用以检测土壤的元素成分以及给土壤样品拍摄成像。

(3)热量和释出气体分析仪(TEGA)

它包括微分扫描热量计和质谱仪两部分，用以对土壤样品的吸热和散热过程进行观测记录，并对加热后释放出的挥发物进行分析。

(4)表面立体成像仪(SSI)

用以测绘高分辨率的地质图和机械臂作业区地图，进行多光谱分析和大气观测。它可拍摄着陆位置地形的高清晰度、彩色、立体图像。

(5)机械臂相机(RAC)

它安装在机械臂末端的挖掘铲上，用以拍摄机械臂采集的土壤样品的高分辨率图像，分析土壤颗粒的类型和大小。

(6)火星下降成像仪(MARDI)

用于在“凤凰”号下降过程中动态拍摄火星表面，勘察着陆点附近的地质情况。

(7)气象站(MS)

这是加拿大宇航局为“凤凰”号着陆器专门研制的新仪器。它由激光雷达和温度压力测量装置两部分组成，可以监测火星大气层的尘埃、温度等变化，记录火星北极每天的天气状况。

登陆火星

在开展探测任务之前，“凤凰”号火星探测器必须先要在弥漫着尘埃物质的火星表面成功着陆。在这里，有几个环节是极为关键的，第一是探测器要准确进入火星轨道，第二要准确变轨。

在到达火星大气层前7分钟，探测器和巡航系统分离；半分钟后，探测器通过转轴将隔热罩转到前方，这个过程需要90秒钟；再过5分钟，探测器到达火星大气层表面，此时的速度为5.7公里/秒，离火星地表面的高度为125公里。

随后，探测器进入火星大气层。在3分钟之内，探测器与大气剧烈摩擦，不仅降落速度大大减低，前部表面也迅速升温，最高会达到摄氏1420度。在离火星表面12.6公里处，探测器打开后面的降落伞，并依靠降落伞减速3分钟。在降落伞打开后的25秒内，探测器抛掉前部隔热罩，并且将3条“腿”伸出；在降落伞打开75秒后，探测器的雷达开始工作，并以每秒10次的频率将探测到的有关探测器离火星地面的距离、探测器下降速度和水平速度等参数反馈到“凤凰”号所载的计算机，直至安全着陆为止。

到离火星表面1公里的时候，探测器的速度已降低到56米/秒，探测器抛掉降落伞，开始自由降落；半秒钟后，减速推进器开始点火，探测器上的计算机利用雷达收集到的信息调整12个减速推进器的脉冲火力，来减缓探测器的垂直下降速度和水平移动速度。

在探测器离火星表面30米的时候，降落速度减到2米/秒左右，然后在12秒内慢慢降落到火星表面。在雷达探测到“凤凰”号的“腿”接触到火星地表面时，缓冲发动机会及时停止工作。

与“火星探路者”、“勇气”号和“机遇”号火星车通过气囊着陆在火星赤道地区有所不同，“凤凰”号是依靠减速推力器的制动作用着陆在富含水冰的火星北极地区。因为“凤凰”号的质量太大，仅搭载的科学仪器就重达59公斤，用气囊难以保证软着陆的安全。

美国西部时间5月25日16时53分(北京时间26日7时53分)，位于加利福尼亚州的帕萨迪纳喷气推进实验室，收到了从2.76亿公里以外传来的“凤凰”号着陆后的尖叫声，此时，无线信号从火星传到地球需要15.3分钟。这标志着“凤凰”号在历经315天，穿越宇宙6.79亿公里后，成功降落在了火星北极区域。从后来传回的图片中人们可以看到，“凤凰”号火星着陆探测器正金鸡独立，一条“腿”站立在火星表面。

由“凤凰”号机械臂上的相机拍摄到的照片，人们能更多地了解“凤凰”号着陆器当时的情况：它的3条腿刚好放在一块看上去像是冰的物体上，显然是“凤凰”号的助推器将尘土吹走，这块物体才显露出来，而这块白色的光滑物极有可能就是一片冰床。

第一铲土

在“凤凰”号登陆火星的第六个火星日，也就是地球时间5月31日，“凤凰”号伸出自己的机械臂首次触摸了火星，它的机械臂末端的挖掘铲，在火星泥土上留下一个类似人类脚印的痕迹。在这次试挖中，“凤凰”号用其2.4米长的机械臂挖出了一些亮晶晶的东西，据估计，它们可能是冰或盐。

6月5日，美国宇航局展示了“凤凰”号火星着陆探测器利用光学显微镜拍摄的火星表面沙尘颗粒的精细照片，这是人类有史以来获得的火星沙尘最高清晰度照片。据介绍,“凤凰”号着陆时激起了不少沙尘，因此一些硅等颗粒物扬起后降落，暴露在地表。光学显微镜拍摄到了这些裸露颗粒的精细照片，一个直径3毫米的硅颗粒甚至能看得清清楚楚。照片中的颗粒物呈现出各种不同的形状和颜色。科学家介绍说，一些颗粒外表比较平滑，颜色偏暗，与火星地表颜色相似；还有一些颗粒呈白色，科学家认为它们的结构与盐颗粒相似，它们处于火星地表还是较深层土壤中还有待分析。

6月6日，在经过两次试挖后，“凤凰”号火星探测器开始按照指令，用机械挖掘臂在北侧一个被地面科学家称为“小熊”的地点向下挖掘了约2厘米至4厘米，挖起一铲火星土壤，并将土送入所携带的分析仪器中。不过，“凤凰”号头两次将铲起的土壤放入携带的8个微型烤箱中的努力都以失败告终，土壤样本无法通过烤箱门内的滤网，进入探测器携带的热量和释出气体分析仪中。负责热量和释出气体分析仪实验的亚利桑那大学教授威廉姆·博伊顿表示：“尽管机械臂将大量泥土放在滤网上，但事实上，没有一粒通过滤网进入微型烤箱。似乎是土壤样本粘性过大，一旦将它们成块地放在上面，土壤不能通过滤网。”

6月11日，“凤凰”号发回的数据显示，烤箱内已经装满了泥土。威廉姆·博伊顿兴奋地告诉记者：“火星土壤终于随着震动开始运动起来，最终装满了整个烤箱。烤箱问题终于解决了！”接下来，他们将密封烤箱，对土壤逐渐加热，以检测土壤中的水汽含量，并研究样本的矿物成分，首次分析结果将在近日得出。在这期间，遥控设备将根据命令，把另一铲土壤放入显微镜下进行科学研究。

“凤凰”号火星探测计划项目首席科学家彼得·史密斯介绍说，通常矿物质如黏土或碳酸盐中会束缚一定的水分，不同种类的矿物质中的水分需要施加不同的热量才能挥发出来，“凤凰”号携带的“热量和释出气体分析仪”据此可判断火星土壤样本中的矿物质种类。史密斯说，假如土壤中曾有过液态水活动，可能在水作用下形成新的或者改变已有的矿物质，“我们对这样的矿物质尤其感兴趣”。

展望未来

2009年或2011年，美国还将发射“火星科学试验室”火星车，这种新一代火星车约有一辆吉普车大小，比目前仍在火星上工作的“勇气”号和“机遇”号大几倍，其穿行能力也将得到更多改善，可在坡度为60度的斜坡上正常行驶。新型火星车将依靠核能来工作，使用放射性同位素电力系统取代目前火星车上使用的太阳能电池板，因而可大大增加漫游车的行程和使用寿命，提高其开展实验活动如钻探的能力。新型火星车最引人注目的是用“空间起重机”登陆。“火星科学试验室”能对火星上一些“死角”进行考察，进一步探索火星上是否有生命存在。

美国希望能在2014年之前带回第一批火星岩石和土壤标本，以确定火星上是否有生命。随着“取样返回”任务的完成，美国“火星生命计划”也将结束。此后，美国将为载人火星探索做各种准备，以期最终实现载人登陆火星。