探寻火星生命

　　一、预算削减，火星变远了？

　　美国的金融危机自2008年开始，至今依然深刻影响着社会生活的方方面面，美国航宇局（NASA）也深受影响。为了对付越来越严重的政府债务，美国政府被迫革自己的命，缩减各个政府部门的开支。应该说，包括军方在内的美国政府各部门对形势是有清醒认识的，基本上都坦然接受了砍预算的现实。NASA在2013年的预算就被砍到了177亿美元，比2012年还少5900万。看起来削减的幅度不大，但这是数年来NASA第一次遇到预算下降的问题。这种预算“损失”，肯定要落实到相关的项目身上。一般来说，有两种方法来

　　落实预算削减，一是缩减项目规模，二是把项目整个砍掉。这次被NASA送上祭坛的，居然是数年来声势高涨的火星和行星探测计划。不过NASA还算手下留情，只砍掉了火星和行星探测的两成而已。

　　商业航天胜 火星败 “詹姆斯•韦布”打酱油

　　根据白宫2013年的预算申请，NASA在2013财年将获得约177亿美元，在总额为3.8万亿美元的美国政府2013财年预算申请中，NASA的份额不足0.5%。在这些钱中，载人探索与商业航天飞行的资金将提高近6%，达到39.3亿美元。特别需要指出的是，奥巴马为NASA的商业乘员运输系统(CCDev)项目申请了8.3亿美元，鼓励美国私营航天飞行公司启动运送航天员往返国际空间站的计划。NASA希望美国企业能开发出几种不同的私营飞船，并在大约2017年之前飞行。

　　总预算要削减，商业航天要增加，那么总要有个什么项目扮演倒霉鬼。NASA的星际科学计划在2013财年被砍掉了20%，不载人火星任务和其他太阳系天体任务总共只有12亿美元的拨款。星际科学资金的削减迫使NASA从欧空局领导的“火星生命”任务中撤出。“火星生命”任务旨在于2016和2018年各发射一个轨道器和一辆漫游车到火星，很多研究人员视之为在火星上寻找生命迹象的最佳方式。NASA原计划为这两项任务提供火箭和各种设备。因为缺钱而食言，这种事情对于NASA来说，确实有点难堪。星际科学被削减的资金将部分用来帮助支付詹姆斯•韦布空间望远镜(JWST)的费用。JWST是哈勃空间望远镜的后继型号。JWST近几年已经发生多次成本超支与延迟。2001年，美国国家科学院对该望远镜的定价为10亿美元。2008年，NASA的首次官方评估预计其成本为50亿美元，计划在2014年发射。该望远镜现在的成本已膨胀到88亿美元，最早在2018年发射。白宫提议在2013财年为JWST项目申请6.28亿美元，而在2012财年是5.19亿美元。詹姆斯•韦布空间望远镜在上世纪90年代末启动。这个外形神奇而优美、充满了科幻色彩的望远镜，与其说它是天文卫星，不如说是某个神话故事里的艺术作品。不过这个艺术创作是个实打实的“金融黑洞”，它刚刚启动时预计耗资仅5亿美元。但随着工程的深入，费用一再攀升，如今已经达到了88亿美元的规模。在美国曾经实施过的大型航天项目中，可能只有“阿波罗”计划、航天飞机计划和GPS导航星座的耗资超过它。不过这三个工程都发射了多个航天器，詹姆斯•韦布空间望远镜却只打算发射一颗，因此它可能是有史以来单价最高的航天器了。按照它6.2吨的发射重量算，平均价格已经超过了8940元/克，是黄金的20多倍。尽管如此，NASA和美国已经骑虎难下。如果放弃“詹姆斯•韦布”，之前投入的数十亿美元就化为乌有，更何况全世界的天文学家和爱好者正眼巴巴地等着它发现宇宙的更多奥秘。如果“詹姆斯•韦布”下马，NASA乃至国会肯定被淹死在科学家的口水里。所以，“詹姆斯•韦布”空间望远镜的投资照旧，没有受到砍预算的显著影响。

　　现实主义还是理想主义？

　　NASA一贯以探测火星为己任，这是NASA建立之初就为自己定下的目标。因此，NASA多年来想方设法筹措资金，耗资亿万发射各种无人探测器前往火星。这些努力虽然成效卓著，但距离送航天员登陆火星还差得远。按照奥巴马政府航天政策的规划，要到2030年才能考虑载人登火星的问题。又有谁能预测，这10多年中会发生什么变数呢？因此，2013年NASA预算中有明显的“办好眼前事”思路。火星尚且遥远，但近地轨道却近在眼前。国际空间站要运行到2020年，需要不断进行人员换防和物资补给。在国际空间站之后，是否还要经营一个近地轨道中继站，是美国自己经营还是国际合作，尚未给出一个确切方案。

　　不过无论从哪个角度说，即使考虑到火星登陆，近地轨道的长期在轨载人空间站也是不可或缺的。而为了建设和支撑这个空间站，必须具备足够强大的天地往返运输能力。眼下航天飞机已经进了博物馆，美国手里已经没有载人工具了。欧洲、日本虽然信誓旦旦要研制载人飞船，但这并非一蹴而就的事情，欧、日能在2020年前进行载人飞船的试飞就已经可以算作神速了。所以，美国航天员当下唯一的入轨手段就是俄罗斯的联盟飞船。但“联盟”的票价已经从两千万美元一路涨到六千万美元，买几张票的费用足够启动一个新项目了。

　　为此，NASA在2008年底年启动了所谓的商业载人发展计划，支持商业企业研制和发射载人及货运飞船，以实现国际空间站和地面之间的交通运输。这种航天能力被称作“商业航天运输能力”，简称COTS。当然，COTS不是没有反对的声音，甚至时任NASA局长的格里芬也不太赞成。不过奥巴马决心已定，所以格里芬黯然去职，换上了支持COTS的黑人局长博尔登。

　　此后，COTS一直在不断推进，但质疑之声不绝于耳。目前，COTS最受关注的首次飞行是太空探索技术公司的“猎鹰”9号火箭发射“龙”飞船前往国际空间站。但这次发射一再推迟，让人们对商业载人飞行的可靠性不敢抱有太高期望。美国国会也另有想法。商业航天只能解决眼前的问题，而且，火星虽远，总得采取点措施“而今迈步从头越”吧。

　　另外，议员们的活动经费都来自财团捐助。航天工业财团如今失去了航天飞机这个大买卖，自然要驱使自己的议员们鼓捣出新的国家订单来。况且，登陆火星安排在2030年以后，这听起来虽然遥远，但就一种全新运载火箭的研制来说，时间是相当紧迫的——只有不到20年了。

　　因此国会强令NASA启动了称为“航天发射系统（SLS）”的新运载火箭研制，预计总投资180亿美元，计划2017年首次发射无人飞船到月球。如果顺利，2017年后将继续投资发展，到2021年发射载人飞船到月球并返回。不过SLS面临着一个严重的问题，上面级火箭基于当年“阿波罗”计划用的J-2X发动机，但为了满足新的需求，要进行一些开发工作。这些工作到2017年是来不及完成的。那么SLS到时候靠什么助推，还是个头疼的问题。可能正是因为上述问题的存在，2013年NASA预算中，载人探索与商业航天飞行的资金将提高近6%，达到39.3亿美元。这种选择也可以认为是“仰望星空，脚踏实地”吧。

　　科学家和航天员的怨言

　　美国有强大的经济，每年的GDP都在数万亿美元的规模。美国政府为拯救金融界，动辄发行数千亿美元的国债。为什么在事关人类发展与进步的航天科研上如此吝啬呢？火星项目被砍，让有关科学界大失所望。曾经负责NASA空间科学的前局长艾德•魏勒尔在接受《科学》杂志采访时抱怨道，他说：“两年前，因为火星项目预算被砍，我好不容易说服欧洲人，共同开发火星项目……这事儿费了我两年功夫。我们自承严格遵循总统的航天政策，国会也挺我们。虑及上述种种，我们不禁要问，为啥要砍火星项目啊？我无语了。”

　　美国第一位航天员约翰•格伦对此倒是有更为深刻的认识。他在接受记者采访时说：“想当年我们搞航天的时候，最大的动力就是跟苏联竞争。50年之后，美国这个世界上最伟大的航天国家，居然要从外国人手里买6000万美元一张的宇宙飞船票。”格伦对放弃航天飞机大为不满，他说：“我们还没有找到一个新型号来替换航天飞机，怎么能让它们退役呢。好多人都说，航天飞机已经用了30年，很旧了。可我们没有更好的东西啊。航天飞机是人类最复杂的航天器，我认为它飞得不错。升级一下就能再用一阵子，不应该就这么砍了。”2010年格伦曾经为航天飞机面见奥巴马，要求他同时推进新飞船研制和航天飞机延寿。结果奥巴马用“没钱”两个字就把他打发走了。格伦老先生相当地不满，他说：“大家都应该能想到，离开‘联盟’飞船，美国就没什么载人航天项目可言了。我们确实需要一种新飞船，不过那是以后的事儿。他们说三五年就能搞出新飞船来，不过这话我已经听了4年。所以我想，大概还要5年或者7年，甚至10年以后，美国才能搞出新飞船来。”

　　核动力是出路吗？

　　NASA当前所面临的种种困境，并不能解读为美国航天不行了。实际上，无论是在载人航天技术还是火箭技术上，美国依然是世界一流的。问题主要在于，把人送上太空的代价太高了。根据政治经济学的有关理论， 任何产品的价值都是由生产它所需要的劳动构成的。俄罗斯的火箭之所以便宜，很大程度上是因为俄罗斯技师的劳工成本——可以理解为薪水——相对较低。而美国技师的薪水就要高得多了。那么，如果用同样的工时来制造一枚火箭，美国火箭自然要比俄罗斯火箭贵出一大截。而美国火箭在性能上并不优于俄罗斯火箭。因此，NASA困境的原因就很好理解了——火箭推进技术没有取得划时代的突破。前文所述的新一代运载火箭，主发动机和固体助推器来自航天飞机，上面级来自“阿波罗”计划。严格说都是上世纪六七十年代的技术。

　　数十年来，火箭技术一直就是这样小修小改地“进步”着，主要原因是化学燃料火箭的性能是有上限的。根据齐奥尔科夫斯基公式，火箭的运载能力取决于燃料的比冲，而当下比冲最高的液氢液氧，其比冲也不过是4165～4460牛•秒/千克。要把一吨重的物体送到低地球轨道，至少要十倍以上的液氢液氧燃料。以欧洲最新型的阿里安-5ES火箭而言，其低地球轨道发射能力为21吨，但其第一级低温火箭中所装的液氧达130吨、液氢25吨。这还不算两侧助推火箭中的固体燃料和二级火箭中的偏二甲肼和硝酸。再考虑到数十吨重的结构和设备。卫星在起飞重量中占的比例还不到3%。这听起来实在是太赔本了，不过只要人类还无法走出化学燃料火箭的时代，这种局面就无从改变。 所以，NASA一直对核动力保持着高度的关注。在著名系列漫画《丁丁历险记》的《月球探险》中，卡尔库鲁斯博士设计了一种核动力火箭，丁丁等人乘坐火箭飞往月球又返回了地球。这种真正的大型核动力火箭眼下还只能是科幻，不过用于长期航天飞行的较小型核火箭却已经列入了NASA的议事日程。

　　美国国家研究委员会2月1日发表名为《航天技术路线图和优先发展项目》的报告，列举了16个最重要的技术发展领域，核动力的排名非常靠前。在深空飞行和外星球探测中，核动力续航和核动力发电可能是必由之路。另外，NASA认识到自己的技术老本正在越吃越少，因此2013年航天技术方面的投资提高了22%，达到6.99亿美元。但是，这一点钱，能支撑起格伦所说的“世界第一航天大国”研发行为么？就这样，因为预算前景暗淡，火星探测所分到的蛋糕又少了一块，登火星的梦想似乎离人类更远了一点。

　　NASA的CCDev项目鼓励美国私营航天飞行公司启动运送航天员往返国际空间站计划

　　欧洲“火星生命”计划中的火星漫游车

　　詹姆斯•韦布空间望远镜

　　COTS示意图

　　多功能乘员运输舱在洛克希德马丁公司的厂房中进行测试

　　猎鹰9号火箭发射

　　龙飞船效果图

　　美国空间发射系统（SLS）新一代运载火箭

　　J-2X发动机试车

　　二、欧俄联合探测火星

　　欧空局理事会同意继续为定于2016年发射的一项火星通信轨道器与大气气体分析仪任务提供经费。该探测器还将携带一个进入、下降与着陆舱，将由俄罗斯联邦航天局免费提供的质子号火箭发射。这项决定将使由泰雷兹•阿莱尼亚空间公司牵头的“外空火星”项目工业团队能继续按全面研制合同开展2016年任务的研制工作。美航宇局今年早些时候决定退出“外空火星”项目后，欧空局各成员国政府对各选项进行了审议。俄航天局的加入拯救了“外空火星”项目。美航宇局原先曾同意为2016年和2018年的发射提供宇宙神5火箭，并同欧空局分担2018年发射的漫游车的费用。

　　1.苏联研制的Prop-M火星车（1971年）

　　苏联研制的Prop-M火星车体积与烤箱相当，装有一对类似滑雪板的轮缘，而不是轮子。在设计上，Prop-M火星车用于探索登陆器附近的区域，它们通过输电和通信电缆与登陆器相连。苏联共向火星发射了两辆PrOP-M火星车，一个搭乘“火星2号”飞船，于1971年11月末在火星表面坠毁，另一个搭乘“火星3号”飞船，1971年12月2日在火星表面实现软着陆，但在着陆后短短14.5秒，控制人员便与其失去联系。这辆火星车只向地面控制人员传回一幅照片，由于拍摄时光线极暗，没有展示任何细节。据信，这辆火星车的通讯系统在猛烈的尘暴中毁坏。

　　2.美国研制的“旅居者”号火星车（1997年）

　　美国航宇局“火星探路者”任务的一大亮点就是“旅居者”号火星车。这辆火星车采用6轮设计，重量刚刚超过10.5千克，长65厘米。“旅居者”号装有一个由3台照相机构成的成像系统，一个阿尔法质子X射线光谱仪以及一个用于分析火星岩石的设备。此外，它还配备了当时非常先进的车载电脑，采用100 kHz英特尔80C85 CPU，176 KB的闪存固态存储器以及512 KB的随机存取存储器。“旅居者”号任务取得巨大成功，1997年7月4日登陆后工作了83个火星日，向地球传回550幅照片。

　　3.美国研制的“勇气”号火星车（2004～2010年）

　　美国航宇局的火星探测漫游者-A（MER-A）“勇气”号火星车于2004年1月4日在火星表面登陆，2010年3月最后一次与地球取得联系。与它的双胞胎“机遇”号（MER-B）一样，“勇气”号也是超龄服役，在火星表面的跋涉距离达到7.73千米。在火星尘暴无意间清理“勇气”号的太阳能电池板后，这辆火星车得以超龄服役，服役时间是原计划的几倍。服役期间，“勇气”号遭遇一系列挑战，包括一个轮子破损罢工，被埋进沙子深处以及不得不倒着前进。它是一辆非常强悍的火星车，经受住超乎想象的恶劣环境的考验。在“生命”的最后4个月，“勇气”号深陷火星沙之中，由于只有4个轮子正常工作，它无法摆脱困境，只能等待最后时刻的到来。

　　4.美国研制的“机遇”号火星车

　　（2004年至今）美国航宇局的“机遇”号火星车是目前唯一一个在火星表面执行任务的人造探测器。2004年1月25日，在火星另一侧登陆的“机遇”号驶下登陆器平台，开始执行探索任务。目前，这辆火星车的行进距离已超过34千米。“机遇”号已经超龄服役，服役时间是制造者最初预计的30倍。它在维多利亚陨坑和周边地区度过两年，研究出露层。研究发现显示火星曾是一个比现在更温暖和更湿润的星球。“机遇”号和“勇气”号使用了从世贸中心灾难现场发现的铝。这种金属用于制造保护罩，保护火星车钻机的电缆，上面还印有美国国旗。

　　5.美国研制的“好奇”号火星车（2012年）

　　美国的最新火星车“好奇”号是迄今为止制造的体积最大的火星车，2011年11月26日成功发射。这辆火星车是美国航宇局火星科学实验室任务的一部分。据估计，SUV 大小的“好奇”号将于2012年8月5日借助未经验证的“太空起重机”在火星表面着陆。“好奇”号重900千克，长3米，由一台放射性同位素热电式发电机提供电力，这一点与1976年的“海盗”号登陆器类似。热电式发电机内装有4.8千克钚-238二氧化物，发电能力超过太阳能电池板，能够满足“好奇”号的用电需求。

　　6.中国研制的嫦娥三号卫星（2013年）

　　中国制定了庞大的月球与行星探索计划，在派遣航天员登陆月球前，中国将首先派遣轮式月球车打前站。“嫦娥三号”月球探测器的月球车目前正在中国西部的沙漠地区进行耐久性测试，预计于2013年登陆月球表面。“嫦娥三号”的月球车由中国独立研制，将采用先进的智能机器人技术，可对距离登陆器5千米的区域进行探索和分析。

　　7.印度研制的月船2号探月器（2014年）

　　2008年，印度空间研究组织的“月船1号”月球探测器发现强有力证据，证明月球北极地区存在水冰，一时之间引起国际天文学界的关注。现在，印度空间研究组织正准备实施更雄心勃勃的“月船2号”任务。“月船2号”是一个月球登陆器，搭载一辆轮式月球车。印度空间研究组织与俄罗斯联邦航天局合作，共同实施这项集轨道器、登陆器和月球车于一身的任务。“月船2号”预计于2013年末或者2014年初发射升空。

　　8.欧洲与美国合作的“火星生命”探测器（2019年）

　　“火星生命”（“ExoMars”）任务是一项雄心勃勃的火星探索任务，共分两部分。这个火星探测器由欧洲空间局和美国航宇局合作研制。任务的第一部分是发射一个装有静态登陆器的轨道器，预计于2016年发射。两年后进行第二次发射，将“火星生命”号火星车送上火星表面，预计于2019年登陆。“火星生命”号火星车采用6轮设计，质量接近295千克，体积介乎美国宇航局的火星探测漫游者和“好奇”号火星车之间。其最引人注目的地方当属自治软件包，能够在地球上的地面控制人员不输入指令情况下自行做出导航决定。这辆火星车每天可行进100米，设计寿命大约218个火星日（超过200个地球日）。

　　三、火星板块渐露峥嵘

　　美国“好奇”号火星车登陆火星，传回的火星地貌照片令人们有一种似曾相识的感觉，那里太像地球的一些荒漠地带了。如果人们从地表向地下再稍微深入一点儿，也许会再次涌起似曾相识的感觉，因为火星也许具备一种地球上存在的东西——板块。

　　水手谷：火星断层的大手笔

　　此前科学家一直认为，地球是太阳系唯一有板块构造的行星。所谓板块，说的是地球的岩石圈并非完整的石板一块，而是裂开形成了多块。地球上目前有7个大板块和几十个小板块，我国的主要领土就位于欧亚板块之上。

　　尹安是美国加州大学洛杉矶分校的行星地质学家，最近他分析了火星奥德赛飞船上的热辐射成像系统拍摄的卫星照片，以及美国航宇局火星勘测轨道飞行器的卫星照片。他发现，火星上的裂缝非常像他曾经观察的喜马拉雅山和西藏的断层系统，与美国加利福尼亚州的断层系统也很相似，不用说，火星裂缝附近的地貌与地球的那些地方也很相似。

　　比如火星上的水手谷，它是太阳系各个行星上的峡谷系统中最长和最深的一个，绵延近4000千米，是地球上的科罗拉多大峡谷长度的9倍。经过计算，水手谷的北侧和南侧岩层彼此在水平方向上错位了大约150千米。与之相比，地球上加州的圣安德裂斯断层两个板块的交界处，错位了大约2倍的距离，因为地球大约是火星的2倍大小。

　　所以，水手谷可能就是火星两个板块的交界处，是由火星断层制造的巨大裂缝。尹安还发现火星上有一条陡峭的悬崖，与加利福尼亚的死亡谷悬崖很相似。死亡谷悬崖是由断层切出来的，那么火星上的悬崖可能也是断层的杰作。

　　火山链泄露板块运动秘密

　　另一个火星上有板块运动的证据来自火山链。火星上有几条又长又直的火山链，包括构成了著名的塔尔西斯群山的三个火山，它们都是巨大的盾火山，著名的奥林匹斯山也位列其中，该火山高达22千米，是太阳系第一高峰。火星上的几条火山链，可能都是火星地幔在某处上涌，在地表制造了“热点”，由热点产生的。

　　具体说来，火星地幔上面的火星板块处于缓慢而持续的运动之中，而其下的地幔上涌“热点”的位置相对不变，时不时就喷涌向上，于是在其上的板块产生一座火山。板块移动而热点不动，随着时间的推移，火山链就形成了。这种产生机制在地球上也有案例，那就是夏威夷群岛，这组火山岛就是地球板块运动，其下某处的热点向上喷涌地幔物质而产生的。

　　火星上的断层可能会在很长的时间沉寂，时间可能长达百万年甚至更久，然后进入短暂的活跃期，板块运动的同时，甚至可能会制造火星上的地震。

　　火星板块上演“慢动作”

　　那么，火星上的板块是否会和地球上一样，也有几十块之多呢？尹安认为，火星正处于板块构造的初级阶段，它的岩石圈最多有两个板块。如果说地球表面像是一个破损严重的鸡蛋壳，表面上有许多板块的话，那么火星这个“鸡蛋壳”则只是轻微破裂，虽然正处于越来越破碎的阶段，但是这个破裂过程很缓慢。

　　火星这个星球基本上与地球同时产生，火星上的板块数量远远小于地球上的板块数量，可能的原因是火星的体积比地球小，火星半径只有约3400千米，而地球半径近6400千米，所以火星这个“小鸡蛋”内部含有的热量要比地球这个“大鸡蛋”少，由于板块运动的驱动力本质上是星球内部的热源，火星内部热量不足，因此它的板块驱动力就小，火星板块的运动速度就小于地球板块的运动速度，几十亿年过去了，火星仍然处在板块运动的初期，也就不奇怪了。

　　火星板块构造目前的情况，也许与地球板块早期的模样类似。这就给地质学家提供了一个极好的研究对象，观察火星板块，他们会对地球板块构造的来龙去脉有更深的了解。