李春來，劉建軍，耿言，曹晉濱，張鐵龍，方廣有，楊建峰，舒嶸，鄒永廖，林楊挺，歐陽自遠(yuǎn)

（1. 中國科學(xué)院 月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 中國科學(xué)院 國家天文臺，北京 100101；3. 北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191；4. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026；5. 中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所，北京 100190；6. 中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119；7. 中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；8. 中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；9. 探月與航天工程中心，北京 100190）

引 言

人類對太陽系的探測，20世紀(jì)50年代由月球探測起步，在60年代逐步拓展到火星、金星以及太陽和行星際的探測；在70年代，開始了全太陽系的探測，拓展到太陽系其它行星——木星、土星、水星、天王星與海王星的探測；80年代開始，進(jìn)一步拓展到太陽系的各類小天體——彗星、火衛(wèi)一、小行星及土衛(wèi)六；進(jìn)入21世紀(jì)以后，深空探測首次拓展到對冥王星的探測。60多年來，人類對月球、類地行星、類木行星、矮行星、行星的衛(wèi)星、小行星、彗星等太陽系各類天體進(jìn)行了全方位、多手段的科學(xué)探測，并對太陽進(jìn)行了多視角深空探測，獲得了許多意想不到的新發(fā)現(xiàn)和新成果，深化了對太陽系各類天體的表面特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間環(huán)境的了解，為尋求解決太陽系起源和演化這一基本科學(xué)問題提供了基礎(chǔ)資料。隨著世界經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科技的發(fā)展，人類對探索太陽系的起源與演化、尋找地外生命、拓展生存空間的需求越來越迫切，世界各主要航天國家紛紛制定了宏偉的深空探測規(guī)劃[1-8]。

太陽系有八大行星，其中水星、金星、地球和火星被稱為類地行星，它們體積較小，具有固體的巖石表面，可以用地質(zhì)學(xué)方法來研究。火星之外是木星、土星、天王星和海王星4個(gè)巨行星，也叫類木行星，它們體積巨大，主要由氣體和液體組成，表面沒有固體的巖石。目前人類大多數(shù)的行星探測任務(wù)主要針對類地行星。

火星是離太陽第四近的行星，大小正好處在地球和月球之間，平均赤道半徑為3 398 km，約為地球的1/2，月球的2倍；火星的質(zhì)量為6.46 × 1026g，平均密度為3.94 g/cm3，而地球?yàn)?.5 g/cm3。火星的運(yùn)行軌道為明顯的橢圓形，繞日公轉(zhuǎn)周期為687天，約為2個(gè)地球年[1,9]。火星的自轉(zhuǎn)軸傾角和軌道偏心率都會(huì)發(fā)生周期性變化，自轉(zhuǎn)軸傾角的變化周期為120萬年，變化范圍為14.9°～35.3°（現(xiàn)為25°），偏心率的變化周期約為200萬年，變化范圍為0.004～0.141（現(xiàn)為0.097）?；鹦堑墓D(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)參數(shù)的變化對表面地質(zhì)作用和氣候變化會(huì)產(chǎn)生很大的影響。因此，對火星的探測與研究有助于人類進(jìn)一步認(rèn)識地球和太陽系的形成和演化，預(yù)測地球的未來變化趨勢。

根據(jù)目前的探測成果，火星上可能存在過生命和液態(tài)水，經(jīng)過改造有望成為太陽系中的另一顆宜居行星，為人類向火星移民，開辟新的生存空間提供了新的希望。由此，探測火星生命活動(dòng)的信息、探尋火星是否存在過生命以及火星生命活動(dòng)的環(huán)境成為當(dāng)今火星探測的科學(xué)主題[10-11]。

2020年中國將實(shí)施首次火星探測任務(wù)，科學(xué)目標(biāo)和有效載荷配置是工程任務(wù)的重要頂層設(shè)計(jì)之一。本文簡要回顧了國外已實(shí)施火星探測任務(wù)的主要科學(xué)目標(biāo)，介紹了首次火星探測任務(wù)科學(xué)目標(biāo)、有效載荷配置，并分析了我國首次火星探測任務(wù)科學(xué)目標(biāo)的創(chuàng)新性和特色。

1 已實(shí)施火星探測任務(wù)的主要科學(xué)目標(biāo)和成果

人類對火星的探測活動(dòng)自1961年以來一直持續(xù)至今，目前已實(shí)施的探測活動(dòng)已經(jīng)達(dá)到43次，而且近期還有多項(xiàng)計(jì)劃正在實(shí)施。2011年，中國搭載在俄羅斯Phobos-Grunt探測器上的“螢火1號”，嘗試開展火星探測，但發(fā)射失敗。迄今為止，人類成功和部分成功的火星探測任務(wù)一共有23次。

火星是地球的近鄰，了解火星的演化對了解地球的過去歷史和未來演化有十分重要的意義?；鹦潜砻嫔鲜欠裨?jīng)存在過生命，現(xiàn)今是否依然存在生命，是人類尤為關(guān)心的問題。圍繞火星是否曾經(jīng)存在生命的探索一直是火星探測的重要主題。從近20年來火星探測任務(wù)和主要成果來看（見表1），火星曾有足夠的內(nèi)部熱能、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、具有全球性內(nèi)稟偶極子磁場、巖漿-火山作用活躍，形成了太陽系最高的火山山峰（奧林帕斯山）和太陽系最長的峽谷（水手大峽谷）；火星曾有比現(xiàn)在濃密得多的大氣層，表面存在過液態(tài)水，火星表面觀測到干凅的水系、湖泊和海洋盆地，火星有過適宜生命繁衍的環(huán)境，并可能發(fā)育過生命；火星存在小天體撞擊形成巨大撞擊坑和洪水沖刷的痕跡。現(xiàn)今的火星表面是干旱、寒冷的世界，沒有液態(tài)水，大氣成分以二氧化碳為主，大氣稀薄，小于1%大氣壓，塵暴肆虐；全球內(nèi)稟偶極磁場已消失，成為區(qū)域性的多極子弱磁場；構(gòu)造和巖漿活動(dòng)已基本停息，水體可能轉(zhuǎn)入地下，火星是一顆老年期的行星?？偨Y(jié)和回顧已經(jīng)成功實(shí)施的歷次火星探測任務(wù)和科學(xué)目標(biāo)，以期為我國火星探測任務(wù)中科學(xué)目標(biāo)的遴選和確定提供參考依據(jù)。從近幾十年來的火星探測任務(wù)，可以發(fā)現(xiàn)其科學(xué)目標(biāo)主要集中在以下方面：

表1 近20年來火星探測任務(wù)及其主要成果Table 1 The mission of Mars exploration and its main achievements over the past 20 years

1）火星大氣特征和氣候變化研究。檢測火星中性大氣層的結(jié)構(gòu)和成分、氣象和氣候特征及其變化特征，尋找過去氣候變化的證據(jù)，研究火星氣象與氣候的演化歷史及未來變化趨勢[12]。

2）火星地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造研究。探測火星地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、土壤與巖石的礦物組成和化學(xué)成分、沉積巖的分布范圍和相對年齡、極地水冰與干冰的分布與變化特征，研究火星地質(zhì)演化歷史和表面演化過程，并為火星上水的存在和水體演化提供證據(jù)[12-18]。

3）火星物理場和內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究。進(jìn)一步探測火星附近的物理場，包括火星磁場、重力場、電離層；開展火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測與地球的對比研究，探討類地行星的演化史[12,19-20]。

4）火星上的水和生命信息探測。搜尋火星上的水，研究火星水體的演化，尋找火星生命存在的證據(jù)[21]。

5）火星科學(xué)觀測臺站和實(shí)驗(yàn)室。在火星上建立科學(xué)觀測臺站，監(jiān)測和研究火星表面的變化及氣候環(huán)境；探測火星上可能存在的資源，為就位開發(fā)與利用火星資源提供科學(xué)依據(jù)[5]。

我國火星探測的主要科學(xué)目標(biāo)應(yīng)圍繞上述幾個(gè)方面展開，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)我國深空探測能力和科研實(shí)力，合理選擇和確定適合國情、特色明顯、具有一定創(chuàng)新性的火星探測科學(xué)目標(biāo)。

2 首次火星探測任務(wù)科學(xué)目標(biāo)

根據(jù)我國深空探測的總體規(guī)劃和國際火星探測科學(xué)研究的進(jìn)展，經(jīng)深化論證，確定了我國首次火星探測任務(wù)科學(xué)目標(biāo)包括：

1）研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征。探測火星全球地形地貌特征，獲取典型地區(qū)的高精度形貌數(shù)據(jù)，開展火星地質(zhì)構(gòu)造成因和演化研究。

2）研究火星表面土壤特征與水冰分布。探測火星土壤種類、風(fēng)化沉積特征和全球分布，搜尋水冰信息，開展火星土壤剖面分層結(jié)構(gòu)研究。

3）研究火星表面物質(zhì)組成。識別火星表面巖石類型，探查火星表面次生礦物，開展表面礦物組成分析。

4）研究火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征。探測火星空間環(huán)境及火星表面氣溫、氣壓、風(fēng)場，開展火星的電離層結(jié)構(gòu)和表面天氣季節(jié)性變化規(guī)律研究。

5）研究火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。探測火星磁場特性。開展火星早期地質(zhì)演化歷史及火星內(nèi)部質(zhì)量分布和重力場研究。

瞄準(zhǔn)2020年發(fā)射窗口，我國首次火星探測的主要探測內(nèi)容和指標(biāo)如下：

火星全球成像與火星地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌探測。地元分辨率優(yōu)于100 m @ 400 km；重點(diǎn)地區(qū)高精度成像與詳細(xì)勘測，對火星可能存在水的區(qū)域、沉積地層和流水地貌進(jìn)行高分辨成像，局部成像分辨率優(yōu)于0.5 m @265 km。

火星次表層結(jié)構(gòu)和地下水冰探測。次表層結(jié)構(gòu)穿透深度約100 m，極區(qū)冰層穿透深度約1 000 m，厚度分辨能力為米級。

火星表面光譜和激光誘導(dǎo)光譜探測。分析火星表面礦物巖石光譜，識別礦物及其分布，光譜范圍0.45～3.4 μm。識別火星表面礦物主要元素分布，探測精度優(yōu)于10%。

地火空間和近火空間環(huán)境探測。離子能量范圍5 eV ～25 keV，中性粒子能量范圍50 eV ～3 keV，電子能量范圍0.1～12 MeV，質(zhì)子能量范圍2 ～100 MeV，重離子能量范圍25～300 MeV。

火星空間磁場與著陸區(qū)磁場探測?；鹦强臻g磁強(qiáng)測量范圍± 2 000 nT，分辨率優(yōu)于0.01 nT；火星表面磁場測量范圍± 2 000 nT，分辨率優(yōu)于0.01 nT，量程± 65 000 nT。

上述5個(gè)科學(xué)目標(biāo)，將通過環(huán)繞探測和巡視探測共同實(shí)現(xiàn)，圍繞火星是否存在過生命或生命存在的環(huán)境，以及火星演化和太陽系的起源與演化兩大科學(xué)問題開展（見表2）。其中，環(huán)繞探測著眼于開展火星全球性、整體性和綜合性的詳查探測，建立火星總體性和全局性的科學(xué)認(rèn)知；巡視探測專注于火星表面重點(diǎn)地區(qū)的高精度、高分辨的精細(xì)探測和就位分析。通過環(huán)繞器與火星車的獨(dú)立探測和天地同時(shí)探測，實(shí)現(xiàn)對火星的表面形貌、土壤特性、物質(zhì)成分、水冰、大氣電離層、磁場等的科學(xué)探測。

3 有效載荷配置

3.1 環(huán)繞探測有效載荷配置

環(huán)繞探測是目前火星探測的主要方式之一，有利于獲得火星全球性的探測資料，在火星研究過程中建立總體、全局的概念，因此是行星探測開始階段的首選方式。根據(jù)首次火星探測科學(xué)目標(biāo)，結(jié)合國際火星探測和科學(xué)研究的進(jìn)展以及我國航天科技的發(fā)展水平，我國首次火星環(huán)繞探測的主要科學(xué)任務(wù)包括以下5個(gè)方面：

1）火星大氣電離層分析及行星際環(huán)境探測。

2）火星表面和地下水冰的探測。

3）火星土壤類型分布和結(jié)構(gòu)探測。

表2 火星探測任務(wù)科學(xué)目標(biāo)、擬解決的科學(xué)問題、科學(xué)任務(wù)和有效載荷配置Table 2 Scientific goals，scientific tasks and payload configuration of China's first Mars exploration mission

4）火星地形地貌特征及其變化探測。

5）火星表面物質(zhì)成分的調(diào)查和分析。

為了完成環(huán)繞探測科學(xué)任務(wù)，環(huán)繞器配置了中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、環(huán)繞器次表層探測雷達(dá)、火星礦物光譜分析儀、火星磁強(qiáng)計(jì)、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀共7種有效載荷，環(huán)繞器有效載荷配置及其主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

3.2 巡視探測有效載荷配置

首次火星探測任務(wù)將同時(shí)對火星進(jìn)行遙感探測和區(qū)域精細(xì)探測，兩者互為補(bǔ)充，深化對火星的科學(xué)認(rèn)識。其中，火星巡視探測主要完成以下4方面科學(xué)任務(wù)：

1）火星巡視區(qū)形貌和地質(zhì)構(gòu)造探測。

2）火星巡視區(qū)土壤結(jié)構(gòu)（剖面）探測和水冰探查。

3）火星巡視區(qū)表面元素、礦物和巖石類型探。

4）火星巡視區(qū)大氣物理特征與表面環(huán)境探測。

為了完成巡視探測科學(xué)任務(wù)，火星車配置了火星表面成分探測儀、多光譜相機(jī)、地形相機(jī)、火星車次表層探測雷達(dá)、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀共6種有效載荷，火星車有效載荷配置及其主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

4 科學(xué)目標(biāo)創(chuàng)新與特色分析

我國首次火星探測科學(xué)目標(biāo)和探測任務(wù)是在總結(jié)國際上已有的火星探測科學(xué)目標(biāo)基礎(chǔ)上，從火星探測的現(xiàn)狀和未來趨勢出發(fā)，立足國家需求，瞄準(zhǔn)國際深空探測的熱點(diǎn)科學(xué)問題，突出創(chuàng)新，制定出來的。我國首次火星探測科學(xué)目標(biāo)充分體現(xiàn)了與時(shí)俱進(jìn)、自成體系的特色，有助于推動(dòng)我國深空探測工程的跨越式發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

4.1 探測方式

我國首次火星探測任務(wù)將同時(shí)實(shí)施環(huán)繞探測和巡視探測，在國際上尚屬首次。這種探測方式著眼于環(huán)繞器與火星車有效載荷之間的互動(dòng)和配合，互為補(bǔ)充。

一方面環(huán)繞探測與巡視探測可以進(jìn)行物質(zhì)成分、土壤特性、水冰等探測的天地相互驗(yàn)證。在物質(zhì)成分探測方面，環(huán)繞器配置了火星礦物光譜分析儀，火星車配置了火星表面成分探測儀；在土壤特性和水冰探測方面，環(huán)繞器配置了遙感方式的雙極化雷達(dá)，火星車配置了次表層探測全極化雷達(dá)。這種既有著眼于火星全球、全局的探測，又有著眼于火星局部地區(qū)的高精度探測，可以實(shí)現(xiàn)探測任務(wù)的天地驗(yàn)證和互相補(bǔ)充。

另一方面通過兩器聯(lián)合探測，實(shí)現(xiàn)對大氣、電離層、磁場等的全面探測。環(huán)繞器上配置火星磁強(qiáng)計(jì)、火星離子與中性粒子分析儀和火星能量粒子分析儀，火星車上配置表面磁場探測儀、氣象測量儀，可以實(shí)現(xiàn)從火星表面到近火空間的大氣、電離層和磁場的全面探測。

4.2 水冰探測

水冰探測任務(wù)是我國首次火星探測最重要的科學(xué)目標(biāo)，將采取直接探測和間接探測相結(jié)合的方式。

1）遙感探測和就位探測相結(jié)合，進(jìn)行水冰的直接探測。通過火星車巡視對火星進(jìn)行次表層結(jié)構(gòu)高分辨率、全極化探測，并確定水冰是否存在。通過環(huán)繞器雙極化雷達(dá)回波信號判斷火星上及地下是否存在水冰。

2）火星地形的間接探測。配置高分辨率相機(jī)、中分辨率相機(jī)和就位探測相機(jī)，對水相地貌進(jìn)行探測。

3）火星巖石和礦物的探測。配置火星表面成分探測儀，結(jié)合古湖泊、古河道、沖積洲等水相地貌，尋找碳酸鹽類礦物或赤鐵礦、層狀硅酸鹽、含水硫酸鹽、高氯酸鹽礦物等風(fēng)化成因礦物，探測水變質(zhì)對這些礦物形成的影響，建立火星表面水相環(huán)境和次生礦物種類的聯(lián)系，尋找火星歷史上液態(tài)水存在的環(huán)境條件。

表4 火星車有效載荷配置和主要技術(shù)指標(biāo)Table 4 Payload configuration and main technical parameters of Mars rover

4.3 土壤探測

從火星全球土壤類型分布、土壤次表層結(jié)構(gòu)、土壤物質(zhì)成分探測，到火星局部區(qū)域的土壤結(jié)構(gòu)剖面、土壤物質(zhì)成分探測，系統(tǒng)地提出了火星土壤研究的科學(xué)目標(biāo)。具體包括：

1）環(huán)繞器和火星車上同時(shí)配置次表層探測雷達(dá)，探測火星土壤的結(jié)構(gòu)信息，包括厚度，分層情況等。

2）環(huán)繞器配置火星礦物光譜分析儀，火星車配置火星表面成分探測儀，探測火星土壤物質(zhì)成分。

4.4 空間環(huán)境探測

環(huán)繞器配置火星磁強(qiáng)計(jì)、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀、甚低頻射電接收設(shè)備，開展場與粒子的聯(lián)合探測，系統(tǒng)研究火星大氣、電離層及其與太陽風(fēng)的相互作用，揭示火星空間環(huán)境變化特征與演變規(guī)律。具體包括：

1）探測火星電離層的導(dǎo)電性及電流分布。

2）探測火星電離層中的等離子體波特性。

3）研究火星大氣中高能粒子輻射能譜和成分的三維空間分布。

4）探測行星際甚低頻射電輻射。

4.5 物理場和內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測

利用環(huán)繞器上的磁強(qiáng)計(jì)探測火星空間磁場環(huán)境；根據(jù)火星磁場及太陽風(fēng)磁場觀測數(shù)據(jù)，研究火星電離層及磁鞘與太陽風(fēng)磁場相互作用機(jī)制。

在火星車上搭載火星表面磁場探測儀，探測著陸區(qū)火星磁場，確定火星磁指數(shù)；環(huán)繞器磁強(qiáng)計(jì)與火星車表面磁場探測儀相互配合，探測研究火星空間磁場，反演火星電離層發(fā)電機(jī)電流，研究火星電離層電導(dǎo)率等特性。實(shí)現(xiàn)對火星磁場的立體動(dòng)態(tài)觀測，可以更有效地研究火星電離層及磁鞘磁場小尺度結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化過程。利用天然磁場躍變，探測火星內(nèi)部局部構(gòu)造。

5 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)、特別是航天技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各空間大國開展了對太陽系天體的探測，先后對月球、各大行星及其衛(wèi)星、小行星、彗星等太陽系各類天體進(jìn)行了全方位、多手段的深空探測，深入了解太陽系各類天體的地質(zhì)背景和空間環(huán)境，尋求解決太陽系起源和演化這一人類面臨的最基礎(chǔ)的科學(xué)問題。

我國開展首次火星探測工程，將通過探測火星磁層、電離層與大氣層的結(jié)構(gòu)、成分與特征，研究火星磁層、電離層與大氣層的成因以及火星氣候的變化及其演化歷史；探測火星土壤分布、成分與特征，特別是硫酸鹽、高氯酸鹽、赤鐵礦等的分布，研究火星環(huán)境演化；探測火星地形地貌，研究風(fēng)、水（冰）、火山、撞擊和構(gòu)造活動(dòng)等在火星表面形貌的形成與改造中的作用，揭示火星地質(zhì)特征和演化歷史，開展比較行星學(xué)研究，制作火星全球性影像圖并優(yōu)選和勘查火星取樣返回著陸區(qū)；探測火星表面主要元素的含量與分布，計(jì)算礦物和各種巖石類型的分布，探尋火星沉積巖的分布，研究火星地質(zhì)演化歷史；探測火星地下水體的分布與儲存量，研究火星液態(tài)水的逃逸和轉(zhuǎn)移過程；探測火星磁場和重力場的特征，與類地行星做比較研究。綜合上述探測成果，研究火星生命存在環(huán)境，以及火星演化和太陽系的起源與演化，為人類面臨的最基礎(chǔ)科學(xué)問題提供線索和支撐。

我國開展首次火星探測，將是繼月球探測之后的又一重要標(biāo)志性工程，對進(jìn)一步增強(qiáng)中華民族的自信心、自豪感和凝聚力，激勵(lì)中國人民的開拓、奉獻(xiàn)和創(chuàng)新精神將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。同時(shí)，火星探測將深化人類對地球、太陽系乃至整個(gè)宇宙的起源、演化及其特性的認(rèn)知，推動(dòng)空間科學(xué)和行星科學(xué)的發(fā)展。