国外火星探测发展态势分析

张扬眉（北京空间科技信息研究所）

2020年是火星探测任务发射大年，多项火星探测器发射升空，包括阿联酋的希望号（Hope）、中国的天问一号（Tianwen-1）和美国的“火星2020”（Mars 2020）。

一直以来，火星探测都是空间探测的热点之一。自苏联1960年发射人类首个火星探测器、揭开火星探测的序幕开始，美国、俄罗斯、欧洲、日本和印度等航天国家/地区陆续开展了火星探测活动，取得了大量的探测成果和重大发现。近年来，韩国、阿联酋等国家也开始涉足空间探测领域，提出月球和火星探测计划。

从整体上看，目前国外火星探测活动正步入新一轮高潮期，在已经过去的2016、2018年的发射窗口，欧俄和美国先后发射了“火星生物学2016”（ExoMars 2016）和洞察号（InSight），此次的2020年和2022年的火星发射窗口也均安排有密集的火星探测任务。此外，以美国太空探索技术公司（SpaceX）为代表的国外商业航天公司也开始进入火星探测领域，制定了“火星殖民”计划，期望将来实现人类改造火星、移民火星并进而实现“多星球文明”的远大目标。

1 国外火星探测科学目标发展情况

火星探测具有重大的科学意义，近60年来，人类探索火星试图回答以下重大的科学问题：火星是否存在生命活动的信息或曾经孕育过生命？火星是否是太阳系中最有可能改造的、适合人类居住的天体？火星独特的地形地貌和物理特性，承载了其演化的丰富信息，其演化与太阳系的起源及演化是什么关系？因此，国外火星探测任务的科学目标主要围绕对火星演化历史和火星生命信息的探测及研究这两方面来制定，其中，对火星演化历史的探测包括火星大气层、地形的演化、火星的物质组成和化学演化、火星内部物理场和结构的演化等；对火星生命信息的探测包括火星水体探测、盐类矿物探测、从火星表面的形貌特征反证火星过去存在水体活动、从火星陨石中探寻生命存在的证据等。

按照时间段分类，国外火星探测的发展历程可分为3个阶段，即冷战时期（1990年前）、20世纪90年代（1990－1999年）和21世纪（2000年至今）。

冷战时期国外火星探测科学目标发展情况

冷战时期，苏联/俄罗斯一共实施了17次火星探测任务，主要为“火星”（Mars）和“福布斯”（Phobos）系列，这些任务完全以任务成功与否来衡量探测成果，政治目的强烈，科学目标相对淡化，观测了火星及其空间环境，拍摄了一些火星表面图像，获取了一些相关数据；美国在“冷战”期间共实施了8次火星探测任务，主要为“水手”（Mariner）和“海盗”（Viking）系列，在此之后，美国开始遵循其“火星探测计划”（MEP）的目标进行火星探测活动。

20世纪90年代国外火星探测科学目标发展情况

20世纪90年代，全球共进行了7次火星探测任务，其中美国5次，俄罗斯和日本各1次。在此阶段，美国是火星探测的主角，并开始了其持续至今的“火星探测计划”，标志性任务为“火星探路者”（MPF），其携带的“索杰纳”（Sojourner）是全球第一辆在火星表面着陆的火星车。

美国的“火星探测计划”是美国国家航空航天局（NASA）于1993年制定的一项长期火星探测计划，目的是探索火星目前的环境、气候、地质历史和存在生命痕迹的可能性，即涵盖了探测火星生命信息和火星演化历史两方面的科学目标。

1992年，NASA的“火星观测者”（Mars Observer）任务失败，促使NASA正式制定了“火星探测计划”。广义上来说，自1993年之后NASA的火星探测任务都属于“火星探测计划”。狭义上来说，“火星探测计划”仅包括NASA财年预算申请中科学领域、行星科学分领域下的“火星探测计划”项目。按狭义分类统计，目前NASA已经实施的“火星探测计划”任务包括“火星全球勘测者”（MGS）、“火星气候轨道器”（MCO）、“火星奥德赛”（Mars Odyssey）、机遇号（Opportunity）、勇气号（Spirit）、“火星勘察轨道器”（MRO）、凤凰号（Phoenix）、好奇号（Curiosity），以及“火星大气与挥发物演变”（MAVEN）。

“火星探路者”着陆器及“索杰纳”火星车示意图

NASA“火星探测计划”（截至2019年底）

NASA“火星探测计划”有4项目标：确定火星上是否曾经存在生命；研究火星气候；研究火星地质情况；为未来的载人探测火星作准备。

早期“火星探测计划”任务的主要探测目的都是“寻找水”（Follow the Water）。只有在发现了火星上过去和现在存在水的证据之后，才有可能进一步探索火星上是否有生命痕迹。目前，NASA的火星探测器已经发现火星表面有水和支持微生物生存的证据，因此美国2011年发射的好奇号的探测目的则开始转变为“寻找生命痕迹”。美国“火星2020”任务旨在探寻火星上生命的痕迹，将采集并存储火星样品，未来可能的采样返回任务则将把此次采集的样品带回地球。

21世纪国外火星探测科学目标发展情况

21世纪初至2020年7月底，国外共实施了14次火星探测任务，其中美国9次、俄罗斯1次、欧洲2次、印度1次、阿联酋1次。该阶段的火星探测任务的最大特点是大部分任务均成功[俄罗斯的“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）除外]，开展了对火星的长期环绕探测和巡视探测，进行了大量的科学探测试验任务，获得了多项重大的科学探测成果。

国外火星探测任务的科学目标集中在火星演化历史探测和火星生命信息两方面，而且所有的火星探测任务计划都有与火星演化历史探测相关的科学目标。

对于火星生命信息的探测，美国将对火星生命痕迹的探测列入了其火星探测战略规划；苏联/俄罗斯发射的火星任务多在冷战期间，主要以领先美国、占据火星探测技术制高点为目的；而日本和印度均只实施了1次火星任务，且印度的火星轨道器仅实现绕火星轨道运行，科学意义不大；欧俄合作的“火星生物学2016”任务着陆器着陆失败，“火星生物学2018”任务延期到2022年发射，任务名称相应修改为“火星生物学2022”。

未来，美国将稳步推进其“火星探测计划”和其他火星探测项目，可能实施火星采样返回任务，其科学目标将继续遵循“寻找火星生命信息”的主线，寻找火星上的水，探索生命痕迹，研究火星的可居住性，并为今后的载人火星探测作准备；欧洲也将以其“曙光计划”（Aurora）为主线，以载人火星探测为长远目标，未来可能与美国联合实施火星采样返回任务；俄罗斯则以重振其空间探测能力为重点，除了与欧洲合作实施火星探测，未来可能独立实施火卫一（Phobos）采样返回任务；其他国家如印度、阿联酋、韩国等，则侧重于火星探测的政治目的，对科学目标的选择不够系统。

2 国外主要航天国家火星探测战略规划

前期的火星探测任务使人们进一步认识到，探索火星对地球环境演变趋势研究和拓展人类活动疆域具有重大现实意义，因此全球的火星探测热潮始终持续，甚至愈发激烈。

自20世纪90年代以来，全球共实施了22次火星探测任务，超过同期月球探测的次数（18次），火星已成为主要航天国家的主要空间探测目标和空间技术战略制高点，是行星探测的首选目标。

美国继续保持火星探测领先地位，持续推进火星探测

美国空间探测的长期战略是开展对太阳系的持续探测，包括实现载人火星探测和对其他行星的探测，进而延伸人类的活动疆域。美国进行空间探测既有科学目的，又兼顾政治、科技等其他考虑。一方面探索未知世界，深化人类对宇宙的认识；另一方面，通过探测活动带动技术的创新和发展，并巩固其航天领先地位。

2010年，奥巴马政府调整美国载人探索计划，将其调整为在2025年实现人类首次访问近地小行星，2035年左右实施载人绕火星轨道飞行，之后实现载人火星探测。

2012年6月，NASA发布《可持续的载人航天探索路线图》，提出了一项多目标（地月空间、近地小行星、月球、火星及其卫星）的载人航天战略，并指出美国空间探测的最终目标是实现载人火星探测，而无人探测作为不可或缺的先驱任务，可为未来的载人任务打下坚实的基础。

2014年，NASA发布《2014 NASA战略规划》，提出在21世纪30年代实现载人火星的探索目标。作为对《2014 NASA战略规划》的响应，NASA科学任务部发布《2014年科学计划》，以“认识太阳系组成、起源、演化及潜在的其他生命”为科学发展目标，勾勒出未来10年行星科学任务发展路线图，进一步明确美国未来空间探测的方向和目标，计划在2025年前实施数次火星探测任务。

2015年10月8日，NASA发布《火星之旅：开拓太空探索新篇章》报告，声称美国接下来将分3个阶段实施载人火星探索系列任务，对美国载人火星探测目标和计划设想进行了分析和总结。

2018年2月12日，NASA发布《2018年战略规划》，以特朗普总统签署的《航天政策1号令》和美国国家航天委员会（NSC）设定的目标为指导，提出“发现、探索、发展、实现”四大战略目标，明确了未来数年内NASA的发展方向、主要举措和重大项目，为重返月球、载人火星探测，以及长期太空探索奠定基础。

目前，美国正稳步实施以载人登陆火星为最终目标的空间探测战略规划，在轨的火星探测器共5个，包括3个轨道器、1个着陆器和1辆火星车。美国未来将继续深入开展火星探测活动，探测目标仍将是搜寻火星过去或现在的生命迹象，未来任务包括无人火星采样返回任务，以及接替在轨火星探测器的新型火星轨道器，为将来载人火星探测奠定技术基础，确保美国在火星及空间探测领域的霸主地位。

俄罗斯在火星探测领域寻求国际合作，欲重筑空间探测能力

从历史上看，苏联/俄罗斯在火星探测方面发射次数多，探测方式多样，但绝大多数任务集中在美苏冷战时期，而且任务失败率高，20世纪90年代以后独立发射的2次火星任务也遭遇失败。

俄罗斯在2011年“福布斯-土壤”任务发射失败后，重新审视并调整了其空间探测规划，将大多数空间探测任务的发射时间延迟到2016年以后。根据俄罗斯2016年通过的《2016－2025年联邦航天发展规划》和2018年提出的月球探索路线，未来10年俄罗斯将重点开展无人月球探测，围绕月球极区进行探测活动，为未来可能的载人探月和月球基地的建设打下基础。此外，俄罗斯还将继续与欧洲合作实施“火星生物学2022”任务，并计划于2024年实施远征－M（Expedition－M）任务，探测火星及其卫星，并从火卫一带回土壤样品。但由于近年来俄罗斯进行了一系列航天工业调整和改革，加上政治、经济大环境以及预算削减等因素，俄罗斯的新月球探测任务发射时间不断延期，后续独立的火星探测任务发射时间也并不明确。

目前，俄罗斯已于2016年和欧洲联合进行了“火星生物学2016”任务，并正进行“火星生物学2022”以及远征－M火卫一采样返回任务的研制工作。

欧洲依托国际合作，围绕“曙光计划”实施火星探测任务

欧洲的深空探测以“曙光计划”为主线，以“宇宙愿景2015－2025”（Cosmic Vision 2015－2025）为指导框架实施。“曙光计划”是欧洲航天局（ESA）于2004年2月3日公布的一项以载人火星探测为最终目标的无人和载人空间探测规划。该计划以火星探测为核心开展关键技术的研发，同时将月球探测作为验证未来载人火星探测技术的必要过程，最终目标是实现载人登陆火星。但是就ESA执行“曙光计划”的实际情况看，受欧洲的政治、经济等大环境的影响，“曙光计划”中的载人探测部分受到ESA主要成员国（法国、德国和意大利）的质疑和挑战，ESA各成员国并未在该路线图的最终目标—载人探测上达成一致意见，路线图上大量计划内容都被延期甚至搁置。目前，ESA明确将执行的“曙光计划”任务仅为“火星生物学”。

猎兔犬－2着陆器

在火星探测方面，ESA于2003年成功发射了其首个火星探测器—“火星快车”（Mars Express），其携带的猎兔犬－2（Beagle－2）着陆器在着陆时坠毁，但轨道器目前仍在轨运行。欧俄合作的“火星生物学2016”任务也已成功发射，探测器成功入轨，试验着陆器着陆失败。“火星生物学”第二阶段“火星生物学2018”任务延期到2020年，后又延期到2022年，并更名为“火星生物学2022”。

未来，ESA还将与NASA合作实施火星采样返回任务，负责研制取样火星车和地球返回轨道器。另外，法国国家空间研究中心（CNES）与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）还计划合作开展“火星卫星探测”（MMX）任务。

日本发挥小行星采样返回技术优势，未来将进行火星卫星采样返回探测

日本的空间探测发展路径与美、俄有显著不同，并未开展长期而宏大的、针对单一目标天体的综合探测活动，而是选择小行星作为突破点。目前，日本已发射了彗星、火星、月球、金星和小行星探测器，其中彗星探测、月球探测和小行星探测都获得成功，尤其是小行星采样返回探测水平世界领先。但1998年发射的唯一的火星探测器—“希望”（Nozomi）探测器任务失败。

日本未来空间探测短期目标是月球探测、小天体采样返回探测和水星探测，长期目标是实现载人登月和月面长期生存，建立月球基地，开展月球资源利用。日本未来还将开展大天体的环绕探测，包括火星以及木星综合探测等。日本还明确指出，要通过国际合作开展大天体探测等复杂的空间探测任务。

2018年12月11日，日本内阁府航天战略本部公布2018年修订版《宇宙基本计划》，更新了至2034年的航天项目进度，明确了日本未来将牵头并与美欧合作开展“火星卫星探测”任务，参与欧洲的“木星与冰层卫星探测器”（JUICE），与德国合作研发“命运+”（DESTINY+）深空技术验证任务，继续推进“月球探测智能着陆器”（SLIM）的研发等。

2020年2月19日，JAXA宣布“火星卫星探测”任务获得正式批准，将进入全面研发阶段。该任务计划于2024年发射，将观测火卫一和火卫二（Deimos）两颗火星卫星，降落在火卫一表面并采集表面样品，最终于2029年将样品送回地球。

印度将火星探测纳入国家航天发展计划

印度一直主张通过发展空间技术促进民用技术的发展。印度总理莫迪也曾多次指出，空间技术发展象征着印度的科学技术成就。但实际上，印度进行空间探测任务，其政治目的重于科学目的。印度将日本和中国作为空间探测的主要竞争对手，其空间探测目的首先是显示实力，提升航天地位，其次才考虑科学探测成果。

印度在其“十二五”规划中，就将火星探测正式纳入国家航天发展计划，并于2013年开展了首次火星探测任务。在实现火星探测领域零的突破后，印度提出将实施第二次火星探测任务—曼加里安－2（Mangalyaan－2），目前该任务的计划发射日期为2024年左右，可能携带着陆器和火星车。

3 全球各航天国家火星探测的能力水平分析

从火星探测的技术能力维度看，目前在火星探测领域，国外已经实现了火星飞越、环绕、着陆和火星车巡视勘察探测。其中，美国已经全面具备火星飞越、环绕、着陆、巡视勘察探测能力，在火星探测领域占绝对领先地位；苏联/俄罗斯具备火星飞越、环绕、着陆探测能力，但其大部分任务都集中在冷战期间，在此之后进行的两次任务都以失败告终，最近与欧洲合作发射的“火星生物学2016”任务部分成功；欧洲通过唯一的一次独立的火星探测任务，掌握了火星飞越和环绕探测能力；日本的火星轨道器任务未能成功，但该次任务使日本具备了火星飞越探测能力；印度也通过其首次火星轨道器任务，掌握了火星环绕探测技术。

国外火星探测能力对标

美国是全球唯一实现火星着陆和巡视探测的国家，其火星探测技术占据全球霸主地位。美国的火星探测技术先进，尤其是2011年发射的好奇号火星车任务，是美国火星探测的里程碑，首次验证了“空中吊车”精准着陆技术，其精确着陆的成功实现标志着美国火星探测技术取得标志性突破。美国最近发射的“火星2020”，相比好奇号，其着陆椭圆的范围减小50%，达到约10km，此外该次任务还将首次使用火星直升机。从美国1964年发射水手－4火星探测器以来，美国的火星探测经历了掠飞器、轨道器、着陆器、着陆器/火星车以及独立的大型火星车等5个技术发展阶段。

苏联/俄罗斯的火星探测技术在全球处于领先地位，火星探测任务数量仅次于美国，但其所有成功的任务都是在冷战期间实施的，20世纪90年代后仅进行了两次独立的火星探测尝试，均告失败。

其他国家和地区，如欧洲、日本和印度，具备了火星飞越或环绕能力，尤其是日本和印度实现了从无到有的转变。

好奇号着陆火星

未来，美国将以突破火星采样返回技术为里程碑，重点研发火星采样返回相关的关键技术，例如，样品获取与封装技术、行星保护技术、精准着陆技术、火星车的危险规避和移动技术、火星上升器技术、交会与样品捕获技术、地球再入器技术等；而欧洲和俄罗斯将继续合作实施火星巡视勘察任务，计划掌握火星着陆技术和巡视勘察技术，此外欧洲也将参与美国的火星采样返回任务；日本则将利用其小行星采样返回技术优势，重点突破火卫一或火卫二采样返回技术。其他国家大多还是以突破火星环绕技术为主要目标，重视实现工程目标，而相对忽略科学目标。