探索火星
上海市老科协科普讲师团
高级工程师 李 藩
（一）
从50年代末开始至今，美、苏（90年代是俄罗斯）两国发射了大量的探测器（和飞船）先后对月球、水星、金星、火星和其它行星乃至遥远的空间进行了探测，欧空局和日本也发射了少数探测器。据不太完整的统计，针对月球的探测器（包括阿波罗飞船），约有80次左右，对金星有近30次，对火星也有近30次，对其它行星和飞向太阳系外（旅行者1、2号和先锋10、11号等）的也有多次。其中发射成功并基本上完成预定任务的不少，但有相当多次数的失败.
花费了大量人力物力进行对地外星球的探测，除了美苏（俄）之间是有明确的政治角度出发的空间竞争外，在科学上还是非常有价值的。
最早的空间探测器，应该是苏联在1959年发射的“月球一号”，它曾在距月球6000千米处飞过。同年，“月球三号”摄得了第一批月球背面的照片（此前人类从未看到过月球的背面）。1969年美国的阿波罗11号成功地载人登上了月球。此后又有5批10人先后登上了月球,并带回了数百千克的月球土壤与岩石的样品,由此人类对月球有了较多的了解。
近年来世界各个先进国家注意力比较集中于月球和火星，各自都制定了不同程度的比较具体的勘测计划。目前除继续对月球的水资源以及其它情况进行探测外，美国已经取得了几万幅火星照片（包括在火星上空和地表拍摄的）以及火星表面的若干化学分析资料。
（二）
从总的方面来说，对太阳系各行星（及其卫星）的探测，有助于我们对天文学上许多尚未深入了解的问题作进一步的研究，也有利于地球科学的发展。
此外，有几个问题是科学家们所深切关注的：
1、
资源开发。地球上的许多资源，当然尚待进一步开发，但科学家们已经感到地球资源（包括能源）有限，而其它星球上存在的资源（已知和未知的），相当诱人，例如月球上的氦－3（可用作核燃料），据计算，几十吨的氦－3就可满足现今地球上一年的能源需要，而月球表层5米深的范围内就含有百万吨的氦－3，月球上还有丰富的钛，火星和其它星球上也有丰富的资源。
2、
在其它星球上建立科研和生产基地。例如在月球上建立天文观测基地，由于没有大气的阻挡，较少干扰，其效果将大大不同于地球上的天文台。月球上重力小，真空度高，有利于某些科学实验和物质的加工生产，特别是就地取材的冶炼、加工，将成品运回地球。
3、
探索地外生命。太阳系里除地球外不存在什么高级生命，已是定论，但至今不排除在某些星球上存在原始生命形式的可能性，而这一问题的研究，不仅有利于地球生命起源的研究，对整个生命科学和地外文明的探索来说都是重要的。
4、
建立中间站，作为深入外层空间的跳板。我们发射航天器，可以用环绕地球的空间站（如建设中的国际空间站）作为飞向其它星球的跳板，如果把离地球不远的星球作为中间站，可有利于更远距离的载人飞行。
5、
探索移民的可能性。目前地球上的人口已经达到60亿，人口越多，各种矛盾日益突出。为子孙后代着想，就有人提出向空间移民的设想，虽然有点不可思议，但并非是毫无根据的妄想。
基于上述种种,在新千年里对其它星球的探索，将有进一步的积极行动。此前，美国和苏联也曾对金星（以及其它行星）进行过较多的探测，比较下来，从以上目标而言，月球和火星成为重点对象，美国和俄国各有他们的计划，欧洲和日本也有探测和开发月球的设想。人类重登月球不是太难的事，仅是任务和时间的安排，而探索火星那就复杂得多。
（三）
火星,由于它的颜色是红的而引人注目，西方把它叫做“战神”（Mars）,中国古代的天文学上称作“荧惑”。
火星的赤道半径3395km,为地球的0.532；质量6.421×1026g,为地球的0.1075；与太阳的平均距离是227.9×106千米，绕太阳公转周期为687天，而它的自转周期仅比地球长41分钟，它的赤道区最高温度可接近摄氏0度，极区的温度在-70度到-140度之间，它有类似地球上的四季之分。火星也有稀薄的大气（其大气压力为地球上的1/50—1/100），不过其成分是以二氧化碳为主，也有少量的氮和其它气体。火星表面的重力加速度是地球的0.38，逃逸速度是5千米/秒。火星有两个不大的卫星。
1877年，意大利天文学家斯季帕雷利通过望远镜发现火星表面有纵横交错的“线条”，以后认为可能是人工开凿的“运河”，因而推测有“火星人”，令人震惊，直到本世纪还有不少科幻小说或影片以“火星人”为题材。当然现在证实，火星表面十分荒凉，到处是黄、红色的沙丘和怪石，有许多死火山和环形山，这些“线条”并不是什么“运河”，但发现火星表面确有很多冲刷形成的深沟，还有主流和支流，有的长达1500千米，有冰川地貌和被认为是海洋遗迹的大盆地，因而认为尽管火星上目前没有液态水，但在火星形成早期，可能有较高的温度，有较稠密的大气，有大量的液态水，有真正的大江大河，干涸之后留下了河床，并推断今日火星地表以下还可能有水。火星的南北极都有冰帽，南极的冰帽可能是二氧化碳冰，而北极则可能有相当数量的水凝结成的冰
前几年，美国的科学家研究了在南极获得的陨石，从其化学组成来看，与火星岩石一致，判定它来自火星，随后又从中发现了某些有机成分，甚至似乎是微生物的化石，于是火星上有生命或至少是有过生命的论争又起（此前英国科学家也曾在火星陨石中发现有机物），还有人提出了地球上的生命起源自火星的看法，也有人说我们人类是从原始生命经过漫长的时期进化而来的，如果原始生命来自火星，那么我们人类本身就是外星人……。不管地球上的生命究竟是否来自火星，迄今为止也还没有取得火星有（或有过）生命的直接证据，但如上所述（火星曾经是温暖有水，如今地表以下还可能有水），这个可能也还不能排除，而作为一个需要进一步探索的课题。
（四）
对于火星的空间探测始于六十年代，苏、美的最初发射的几个探测器都未能抵达目标。直到1964年11月美国发射了“水手4号”飞船，1965年，它在离火星9850千米的地方飞过，发回了21张照片，从中首次发现火星上的环形山，其后到1972年止又有水手6、7、9号从火星附近拍摄照片。对火星最初成功的探测是美国的两艘“海盗号”飞船。他们在1976年7月降落到火星上，原来估计只能工作90天，结果却分别连续工作了4至6年多，因此，获得了比较详尽的火星表面资料。
进入20世纪90年代后，美国进一步加紧了对火星的探测，从1992~1999年又先后发射了火星观测者、火星环球勘测者、火星探路者、火星气候探测器、火星极地着陆者等，后几次勘测的主要目的之一是要找水，其中除“火星环球勘测者”于1999年（因故障延迟了一年）开始传回数据，火星探路者带有小车“杰索纳”，工作较正常外，其余均以失败告终（失去联系）。这也说明探测火星并非易事。
俄罗斯计划在2001年把一辆火星车送上火星，日本在98年7月4日发射了他的第一颗星际探测器“希望”（又称行星－B），英国也计划在2004年发射一个火星着陆器。
曾经有比较乐观的估计认为在21世纪之初，即2010年之前，美国人可能登上火星，现在看来，这种可能性并不大。确实人类在30年前就已经登上月球，这30年中科技又有了很大的发展，但载人飞去火星与去月球，不能相比，并不是一件容易的事。
虽然美国太空总署曾表示，取名为“二零零一年火星使命”的计划已经展开，（原计划在2001年发射着陆器和环行器各一个），2003年拟向火星发射和放飞一架无人驾驶飞机，几年内要取回火星岩石样本，然后发送载人飞船把宇航员和科学家送上火星，对火星进行实地考察；但由于近年来的失误较多，实际上可能要放慢步伐。据报道，美国最近宣布，去火星取样的事将推迟到2011年。
（五）
火星与地球的距离是在不断地变化中的，“大冲”时最近距离5500万千米，“合点”距离约4亿千米。从地球飞到火星，从以往发射探测器的实践来看，至少要7个月的时间才能到达火星，因为飞船不可能像光线那样直线行进，要有几亿千米的曲线行程；月地之间的距离基本上是恒定的，工作结束，随时可以打道回府；而从火星回来是要选“黄道吉日”的，因此许多科学家估计来回一次可能需要2至3年左右。
载人去火星和发射探测器是很不相同的。首先载人飞行必须有万全之策，鉴于苏、美迄今所发射的探测器，虽然不乏成功的例子，但失误的、失去联系的也占相当比例，必须很好总结查明原因。在正式载人飞行之前，总要有几次相当完善的能返回的试验飞行。其次，宇航员（一般来说至少要有3人）每天需要吃喝，每分钟都要呼吸氧气，两三年要消耗多少吨？何况还有其它为保障宇航员生命的物资以及各种仪器设备！把这么多的人和物送上天去，火箭要有多大的推力，要用多少燃料？何况回程的燃料要不要带？这样将大大超过目前水平下火箭的胜任能力。
科学家们为此而作了大量的研究试验，提出了种种方案。有的方案是用空间站或月球作跳板，目前α国际空间站的建设尚需时日，如果要用作去火星的跳板，还必须增加许多设施，而用月球作跳板，就首先要建设一个月球基地。另外的方案是不用跳板直接飞往火星，这就需要设法减少起飞重量。其中一个方案是先向火星发射一个或几个运输飞船和返回式飞船，把返回时所需的食物和其它必需的物资事先送去火星轨道待用，同时在火星上放下一个自动化（以核反应堆为动力）的化学工厂,在火星上就地取材（二氧化碳）和带去的6吨氢制造甲烷和水（CO2+4H2→CH4+2H2O）把部分水再分解为氢和氧，氢则继续制造甲烷，这样在6个月后共可生产出108吨甲烷和氧，足够作为宇航员在火星工作和返回时所需的动力源。至于宇航员在来回行程中所需的氧气和水则采取再生利用的办法（这也要消耗许多能）来解决。这个方案似乎很引人入胜，但实际上要解决的技术问题是非常复杂的，并且在所有的环节上不能有丝毫的差错，否则不但白白消耗大量资金和人力物力，宇航员的生命也没有保障。
改进发射火箭的动力，也是科学家们研究的一个课题，目前较多使用的固体或液体燃料发动机，对于送载人飞船去火星效率都不够高，包括燃料在内的起飞总质量，远远超过其发送的有效载荷的质量，代价极高，技术上也很难解决。所以科学家们设想了多种新的发动机或发射方法，包括电火箭、太阳能发动机、核发动机、电磁炮等等，不管理论上如何，离实际应用都还很远。当前美国、俄罗斯和其他国家，都在致力于新的更高效的火箭发动机的研究。据最近的消息，美国一所大学的科学家提出应用一种特殊的核燃料可以大大地提高飞行速度，从而显著缩短飞去火星所需的时间，这尚待实践验证。
由于去火星一次是那样的不容易，因此不可能像30年前去月球那样去去就回（一星期左右），过些日子再派人去，不长的时间（2年5个月）内先后有6批宇航员登月，他们在月球逗留的时间都不长，有的只在月面活动了两个多小时。上面说的到火星要出去2~3年时间，其中就考虑有500多天是留在火星上活动，进行勘察和科研，甚至还要为后续部队创造进一步的生活和工作的环境，反正是要取得尽可能多的成果。但是，人员可能遇到的困难和危险的机会是随时间而增加的，要在太空飞行几亿千米并在火星上逗留那么长的时间，人员的健康和生命的保障，是极不容易的（长时间的失重、剧变的温度、宇宙射线的辐射、陨石、火星上时时可能发生的尘暴……）。
为了说明去火星的艰巨和复杂，我们还应该注意这样一个问题，无线电波从地球到月球只要一秒多钟，在那里发生什么问题，地面上的控制指挥中心随时可以知道，也可以及时发出指令。1972年，“阿波罗” 16号在准备登月时主控制器发生故障，无法着陆，幸好地面指挥中心及时指导宇航员排除故障，才免于功亏一篑。然而从火星上通过电波传回一句话，我们一般要过好几分钟甚至近半个小时才能收到，然后再用差不多同样长的时间发去指令，可能说什么也晚了。
另一个不得不考虑的问题是，火星上如果有生物－原始的生命形态－微生物，那么从火星上任何返回地球的物质，包括飞行器、带回的火星物质、返回的宇航员，要不要彻底隔离或消毒？因为很难说外星微生物会对人类产生什么后果，人类和其它生物对于从未接触过的新的入侵者可能全然没有免疫能力，――现在有些科学家认为造成欧洲等地流行性感冒的新病毒是来自星际。
由于以上种种原因，看来在15年之内人类要登上火星，是不大可能的，但上火星的计划和准备工作，还是在紧锣密鼓地进行当中，如果世界上能有一个比较和平的局面，能够较好地进行国际合作，那么在本世纪第二个十年内是有可能实现的。
探索火星的一个远大设想是向火星移民，必然地要对火星进行改造，虽不可能把火星改造成与地球完全相同的环境，但必须在火星营造一个可供生活、科研、生产所需要的条件，要开发水并逐步改变火星的大气层，首先是提高火星大气密度和改变它的成分――增加氧气、一定数量的水蒸气和除二氧化碳外其它有温室效应的气体，以提高火星上的温度。科学家们一个共同的想法是要在火星上发展能营光合作用的植物，从单细胞的藻类开始，逐步再发展高等植物，既解决人们的食物来源，又有效地改变人类的生存环境，但一般估计这个过程可能至少需要几百年。
（六）
不久前英国地质学家霍夫曼提出，对火星有水的说法不能太乐观，他还警告说若人类打算改造火星，可能会发生意想不到的严重后果，例如若使火星的大气层温度升高，许多原本冻结在火星地底的二氧化碳将会解冻气化，如此一来，火星上将出现超音速狂风，而且还将卷起大量尘土与碎石，所向披靡，人们根本无法预防或抵御这种灾难。
而从长远来看，向火星移民问题，也不能不引起我们一些远虑的思考。尽管我们假定能对火星实施改造使之接近于地球的环境，人们可以长时期地生活下去，但毕竟不可能是与地球一模一样的，例如气候条件总有差异，特别是重力的不同是几乎不可能解决的，时间一长，人的生理、遗传会起变化，逐步地与仍生活在地球上的人类产生分离，我们将如何面对。另外，除了生理因素外，人是社会的人，在地球上还划分为许多国家的情况下，合作与斗争总是并存的，为了开拓地外空间可能进行某些合作，而在登上了别的星球之后，可能会发生疆域和资源的争夺；我们不会忘记，建立美国的主体是几百年前从英国去的移民，两百多年前，他们为摆脱英国的控制，发动了独立战争，胜利后建立了一个新的独立国家，很快它的国力大大超过了英国，成为地球上的一个新的霸主，这又将引发我们怎么样的思考呢？当然我们应该相信人类的政治、文化将不断地进步，我们的子孙后代会有能力解决种种问题，不必由我们来杞人忧天。
回到现实中来说，我国的“神舟”号可载人试验飞船，已经在1999年11月成功发射和回收，新世纪之初“神舟”二号又成功升天，我国的航天科技已经上了一个新的台阶，不久的将来，我们在这一领域，可能赶上和超过先进国家，为我国争光，为人类作出新贡献。希望我们的青少年能够有志于此.
2001年元月