缘何飞往火星？

admin 发表于 2017年09月17日

缘何飞往火星？

该组文章介绍了人类飞往火星的任务情况，专职作家Glenn Zorpette在首篇即探讨了其主要目标：寻找生命。

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若干世纪以来，因为经济和国家方面不同程序的原因，探险家们冒着生命危险到未知的地方探险。哥伦布西进以寻找到远东的更佳贸易路线，同时为了促进西班牙的进一步繁荣，旅行到美国荒野地区的路易斯和克拉克是想考察路易斯安那属地；而宇航员乘阿波罗火箭登月是为了在冷战期间显示本国强大的技术力量。

尽管他们的探险融合了商业因素和政治军事命令的原因，但所有的探险家仅仅凭着到达以前科学家没有到过的地方就完成了一些影响深远的科学任务。路易斯和克拉克探险队从美国两部带回了植物和动物群系的标本、绘画及说明了它们中的大部分对于当时的美国人及其文化来说是新奇的。同样，阿波罗计划最终也获得了大量珍贵数据。休斯敦月球和行星研究所的地质学家及专职科学家Paul D．Spudis说：“我们对月亮整个地质史的基本了解很大程度上来自最后二次阿波罗探月任务。”

今天的火星朦胧出现在人类的眼前，就仿佛是还不为人知的另一个可供人栖息的伟大地球。随着短期财政回报的前景愈加暗淡，随着冷战记忆的迅速消褪，人们越来越重视大规模空间探险的国际间合作，显然比利益和民族主义更重要的责任将驱使人类不得不离开生机盎然的地球，来到另一个星球红色的表面。长期以来带冒险性的空间科学就有点儿赌博的意味，它能不能最终担当起领头的重任呢?

此问题自然而然地引发了一系列其它问题，是不是有只有人类才能在火星上进行的实验?这些实验能够提供足以判定发送人们穿越星际空间所需费用的真知灼见吗?

下在火星上的科学赌注比以往任何时候都大，这颇引人争议。人们的焦点集中到生命是否曾在火星上存在过，以及是否持续到今天的问题上，他们引经据典地证明火星上一度有足够稳定的液态水，不停地在有关随火星陨石降薄地球的细菌化石的猜想上进行争论。不管是过去抑或现在，就火星上生命得出的推断性结论都为研究人员提供了条件范围(在这种条件下一颗行且能够导致产生生命的复杂化学反应)的珍贵数据。如果能确认生命独立产生于火星和地球，此发现将为解决所有科学中最难解的谜之一——宇宙中普遍存在生命-首次提供具体线索。"

如果你发现任何一种生命，那么你所要证明的就是导致生命产生发展的过程是普遍的。作家及宇航工程师Robert Zubrin在去年秋天于麻省理工学院举行的一次研讨会上演讲道这个问题在哲学上具有重大意义。而火星就是解答此问题的罗塞塔石板Rosetta stone。

液态水的确切证据

发送人们去火星的计划至少吸引了一部分公众，其原因之一是该计划已成为可能，美国拥有计划所需的资金和基本技术。更重要的是最近对火星远古环境的发现在科学上有力地促进了发送计划:寻找生命的痕迹。

液态水曾经在火星上稳定地存在，这一理论已经由“火星全球测量器”得到证实，该探测器于去年拍摄到一张河床照片，河床的下切构造看起来很深，似乎是因数百年甚至数千年的水流形成。探测器的重大发现使得于1997年7月发射的"火星拓荒者"在火星上登陆成功。"火星拓荒者"(美国国家航空航天管理局机器人空间探索的"更快、更好、更便宜"典型的第一个成果)也成功地完成了计划。而美国航空航天局(NASA)在"三更"策略的指引下己经开始进行更频繁、花费更少、也不那么野心勃勃的空间任务。

火星拓荒者在欢呼声中证实了“更高、更好、更便宜"典型的成功，然而结论为时过早。之后两个飞行器耗资亿2500万美元的火星气候探器和耗资1亿6500万美元的火星极地登陆器所遭受的接二连三的故障暗示人们即使在相对简单的机器人发送任务方面也没有多少资金可以用来付之东流。

当然，这些故障差不多意味着人们在被送上火星之前将等待更长的时间，尽管美国航空航天局目前还未发布任何官方命令说要送人上火星，但是将会进行某些系统的机器人探测器实验——这些实验专门设计用来推进人类发送的准备工作。继火星拓荒者的成功之后，NASA内部甚至就2020年左右的人类发送进行了非正式的会谈。现在看来NASA制定的时间表还比较乐观。

火星上的化石追踪

人类探险的支持者没有仔细考虑近期的挫折，而是采用有所争议的陨石发现以及惊人的探测结果来研究专家们可能在火星上作出的发现和发展。例如，Zubrin说：“如果我们抱着认真的态度来解决火星上生命的问题，不仅仅弄清是否存在生命，而且要弄清生命在过去的日子里进行了多久，就需要人类参与探测。”为了支撑他的观点，Zubrin提到：搜寻古代生命化石证据的过程将包括“长途跋涉穿过未垦之地，用鹤嘴锄挖掘、破开岩石、小心地剥掉化石页岩层，轻轻拂去灰尘”。这种技能超出了巡回机器人的能力范围。”

据某些专家说，虽然当前的条件很恶劣，但对火星生命的彻底搜寻仍可能坚持下去，并且必须由人类来进行。NASA埃姆斯研究中心的一名研究人员Pascal Lee认为，火星上的生命可能极其微小，并十分隐蔽，他解释说“寻找它们需要到广大的恐怖地带考察。这要求较高的活动能力和适应能力。”Lee承认，在遥远将来的某个时候机器人可能会胜任这项工作。然而，如果要依靠机器人来彻底考察火星以搜寻生命，就将等待漫长得不切实际的时间，他认为是“数十年甚至数个世纪”。

为了实现诸如发送人类之类的科学日标，将需要发送更多的机器人，因此也将需要更多的发射，而更加频繁的发射意味着机器人计划将花费多得多的时间，因为从地球飞往火星的机会相当少，仅仅在每隔26个地球月时才出现(这时两颗行星所在位置间的距离，其旅程所花时间不超过一年)。某些疑问一一这个计划是否会持续数十年——仍继续引发公众及其当选的官员的兴趣。Spudis问道“谁会支持一系列总是产生负面结果的火星计划呢?”

人类必须对火星生命进行彻底的实地考察其另一个原因源自这样的事实，即如果有任何生命存在，那么它可能深埋于地下。火星的大气中含有痕量强氧化剂，可能是氢的过氧化物。这导致土壤的上层不含有机物。因此大多数搜寻微生物的方案都包括挖掘到一定深度，那里受到保护的生命和有机物与氧化剂和灼热的高强度紫外线隔离开来。

预定近期使用的探测器将配备有能挖掘到岩石内几厘米深处或掘至土壤下几米处的机器人部件，然而，除非在这些浅层处有任何发现，否则研究人员将不得不把样本从表面下几百米深处(甚至可能是1或2公里深处)弄上来，之后他们才能断定火星上是否存在生命。加利福尼亚州帕萨迪纳喷射推进实验室的空间和地球科学计划负责人Charles Elachi说，为取得样本而挖掘到如此深度，这种工作“最有可能需要人类来完成”。

极少数研究人员争论说，人类飞往火星的任务不能推动行星科学的发展。可以预测，其辩论的焦点不得不把人类发送与机器人发送的成本效益作比较。问题在于研究者对几个关键因素知之甚少，以至于任何分析都必须依靠非常主观的臆测。

并且，即使在5年或l0年内机器人的能力都很难预料，目前，能够在NASA的“更快、更好、更便宜”模式下传往另一颗行星的机器人技术尚未真正达到槌球运动的要求，而在寒冷开放的环境中搜寻化石的机器人技术就更不必提了。NASA在火星上所演示的巡回系统其功能少得可怜，火星拓荒者发送的小型巡回器于拓荒者停止传送通讯信息之前恰好在着陆地点周围移动了106米。最好的移动机器人控制器在智力上甚至不能与蟑螂相匹敌。

在电传现场(telepresence)技术中，像机器人一样的巡回器将具有与地球上人类控制器的眼、耳及四肢相对应的传感器和控制器，最初看来这似乎是一个诱人的选择。但不幸的是，地球与火星的来回通讯时间延迟高达40分钟之久。“接收不到电传现场信息，”Spudis说，“在最好情况下接收到的东西像是受监控的电传机器人信息，我认为这对于严肃的科学实地考察来说不够好。”

每个人都同意的事实是载人空间飞行花费甚高，根据探险倡导者Zubrin构思的方案(见本期“直登火星计划”一文)，人类飞往火星的花费记录在200亿美元到55O亿美元之间(这是NASA目前的估计)。相比之下，美国国会对近期科索沃冲突的参与拨款240亿美元。

Zubrin坚持认为，尽管载人飞行花费更高，但它带来的成本效益也更大。他承认，发送宇航员去收集地质样本井将其送回地球所花的费用是发送机器人的10倍。然而据他计算，人类发送任务与发送机器人相比，活动范围宽1万倍，所获材料多10倍。另一方面，JPL(喷射推进实验室)的前首席科学家、全球测定任务的规划科学家Arden L．Albee举例说，NASA太阳系探险委员会于1986年所作的一项研究表明，机器人发送任务本来可以完成阿波罗l5在月亮上进行的全部地质样本采集工作。采集期间的一天，宇航员David R．Scott和James B．Irwin驱动一个巡回器行进了11.2公里，在5个考察站收集了样本。他们采集了45块岩石、17个松散土壤样本和8个裹得严严实实的土壤“内核”。研究发现，机器人巡回器可以执行差不多完全一样的工作，但做完这些工作将花费155天的时间。多数时候巡回器处于静止状态，同时地球上的人类专家正在仔细研究它的下一步动作。实际的样本采集工作将占用70天时间，这期间巡回器只运行31个小时。现为加州理工大学毕业生教务主任的Albee说，如果估算实际花费(所取得的收益)的话，很难为发送人类计划提供有利数据。”

火星上的合作

由于火星领域辽阔、地貌特征奇异兼之气候恶劣，因此只有人与机器联合才能征服火星。例如，NASA的Lee所领导的一个项目就是研究加拿大北极群岛的霍顿撞击坑。在这个世界最大的无人居住岛上偏僻而寒冷的沙漠中，Lee和他的同事正致力于研究该地区与火星不可思议的相似性，并设计出未来火星探险者可能用到的方法和技术。

在Lee和他的同事搜寻意义重大并富有代表性的样本过程中，他们踏遍了数百公里的地域，翻越了不计其数的山岩，Le报告说“没有标准的岩层，我们去过的地方中几乎没有可以让非专门化巡回器进入的岩层。”

“探索和发现是一个极端重复的过程，”他继续说道，“你只能企望用人类的适应能力和活动能力在合理的时间范围内熬过这种重复过程。”

然而，Lee大胆表示"只要是正常人，都不应该幻想人类不带任何机器登上火星。"他解释说，在工作过于繁重或对人有危险性时——例如进行大气测定和侦察、建造供长期野外作业使用的供给站、贮藏仓和藏身之所、传送和处理地质学家收集的数目繁多的样本就需要半自主机器来顶替人进行工作。

为火星样本返送任务创建巡回器项目的主要研究人员Steven W. Spuyres同样也设想了人与机器人的互补作用。15年前的某个时候他就有此看法，当时他正在参与一个研究项目，考察几个南极湖的地质构造、沉积物和生物、化学状况。冰下的环境与火星上一样寒冷、恶劣而偏僻。为了收集数据，考察组同时使用了遥控潜水器(ROV)和轻便潜水器设备。

“最有效的方法是先把ROV放入冰下，解决首要问题，”Squyres报告说，“然后，当了解真正要做什么事之后，再把人放下去。”他补充说在火星表面之下搜寻生命的首要问题是“在哪里钻孔?钻多深?火星表面是什么样子?那里有地下水吗?如果有水的话，它在哪儿?”科尼尔大学天文学教授Squyres提到，需要更多的飞往火星的机器人发送任务来解答此类问题。

尽管某些科学家就发送人上火星的科学理论争论得很激烈，但也可能有其它必然因素。国家主义历来都是重大探险事件最可靠的动机，如果没有比它更重要的原因，恐怕任何国家都不愿独自进行重大探险。

工业国家群体(或许包括在政治上和经济上都更加稳定的俄罗斯)可能会通过飞往火星的方式达到美化自身的目的。随着商业日渐变得全球化，一种新的国家主义可能会使空间探险得益，为了争取世界范围的名声和效益，跨国公司也许会贡献出资金和技术，以换取与火星任务有关的公众效益、新技术、广告效应以及其它有潜在赚钱机会的附加效应。

毕竟，从奥林匹克运动会的努力到乘热气球环球航行的努力都得益于众多的联合发起者，而一个花费550亿美元的项目将使得这些冒险事业都相形见绌。但仍可能有那么一天，只须付出很小的代价便可彪炳史册。

[向俊／译曹书朝／校]

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