原標題：“天問一號”官宣！關於火星探測，權威人士解答了13個問題！

　　來源：瞭望智庫轉載自微信公眾號“格致論道講壇”

　　4月24日，國家航天局在2020年中國航天日線上啟動儀式上公佈：首次火星探測任務被命名為“天問一號”，後續行星任務依次編號。

　　火星，我國古書稱之為“熒惑星”，古羅馬稱之為“瑪爾斯星”，因為與地球有諸多相似之處而受到矚目。過去幾十年，美國、俄羅斯、日本、印度等國都曾向火星發送探測器。

　　作為太陽系八大行星之一，火星究竟有什麼魅力，引發多國的探索熱情？我國的火星探測任務蓄勢待發，具體有什麼計劃？火星上發現了液態水，到底上面有沒有生命存在？移民火星是不是靠譜？火星採礦應該怎麼實現？想成為太空探索的築夢者，該學什麼專業？

　　（左） 吳寶俊

　　科普作家 中國科學院大學

　　（中）苟利軍

　　中國科學院國家天文台研究員

　　《中國國家天文》雜誌執行總編

　　（右）賈陽

　　中國空間技術研究院總體部研究員

　　火星探測器副總設計師

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　　中國有怎樣的火星探測計劃？

　　吳寶俊：周星弛有一部著名的電影叫《少林足球》，裡面有一句經典台詞“地球太危險，你回到火星去吧”，我們今天就要聊一聊怎麼回到火星。

　　咱們的火星探測器什麼時候發射？

　　賈陽：2020年的夏天如果一切順利的話我們的火星探測器就奔火星去了。整個時間比較長，因為火星比較遠，要飛到的話需要七八個月的時間，然後還要開展大概一年以上的探測。

　　吳寶俊：火星車大概有多大？

　　賈陽：從車體來說差不多兩個桌子這麼大。

　　吳寶俊：火星車和探測器是同一個東西嗎？

　　賈陽：探測器是一個大名稱，火星車是其中的一類在火星上走的探測器。探測器在火星的軌道上繞著火星飛，這叫環繞器，也是探測器之一，就跟地球的衛星看地面道理是一樣的。

　　還有一種在到火星表面的時候進入，叫做進入器或者進入艙。然後把這個火星車從進入艙裡面放出來，在火星上開始走，叫巡視，這個時候火星車就變成一個自己獨立的巡視器。探測器是一個總的稱呼。

　　吳寶俊：賈老師，咱們國家的火星探測計劃分幾步走？

　　賈陽：宏觀來說是這樣的，探測月球的時候咱們國家的計劃是分成三步走的。第一步是繞著月亮飛，第二步是落到月亮表面上去，第三步是把月球的樣品取回來。就是所謂的“繞、落、回”三個階段。

　　但是火星探測的第一步想把前兩步合併，就是既實現繞著火星環繞，又實現到火星的表面上去開展探測，但是做不到把火星的樣品取回來。

　　吳寶俊：是不是因為吸取了很多我們探月時候的技術上的經驗，所以就可以合二為一了？

　　賈陽：有技術進步的原因，也有一個原因就是去火星的這個窗口太寶貴，一般二十幾個月才有一次去的機會，如果要是按部就班一次次走的話戰線就會拉得更長一些。現在是希望把我們的（降）落火（星）然後巡視這個願望早日實現。

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　　探索火星的初心是什麼？

　　吳寶俊：有一句話說的好，叫做不忘初心，牢記使命。探索火星的初心，就是原始的動機是什麼？火星有什麼不一樣的地方，或者說火星有什麼特別的點呢？

　　苟利軍：可以從天文學觀測的角度去追溯一下。首先，火星是我們能夠看到的可以移動的五顆行星之一。在金、木、水、火、土這五顆行星當中，金星跟火星其實跟地球相對比較近的，但是金星周圍包含著一層厚厚的大氣，我們是看不清它的表面的。

　　儘管現在我們知道金星其實跟地球更為接近，它的大小跟地球更為接近，而火星的直徑其實差不多是地球直徑的一半，所以它要小非常多，但是火星的大氣要薄很多，所以我們可以直接看到它表面的各種狀況。

　　19世紀的時候，已經有一米多口徑大小的望遠鏡了，它就可以直接看到火星表面的特徵，發現有好多溝渠一樣的東西。當時人們就非常地興奮，以為這是當時火星文明挖出來的一些類似運河的東西。

　　我們現在知道有可能火星另外還具有一些其他的跟地球很接近的特性。所以如果我們能夠站在火星之上，就能感受到火星四季的變化。但是在其他的行星比如金星上就沒有這種變化。

　　另外火星處於太陽系之內的宜居區的最外邊緣。宜居區是在過去二十多年地外生命探測的過程中提出來的，也就是說在這個範圍之內有可能會有生命的存在。

　　對於火星而言，它正好處於太陽系內宜居區的外邊緣，那就說明火星上可能會有液態水或者甚至生命的存在。

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　　太空探索的邊界受到什麼因素影響？

　　吳寶俊：人類的太空探索邊界的很大程度上取決於火箭運載能力，咱們國家的火箭運載能力最強的是長征五號。長征五號能把探測器最遠送到太陽系的哪裡呢？

　　賈陽：火箭確實是航天技術往前走的一個基礎平台，它提供的能力越大，整個航天的舞台就越大，這是毋庸置疑的。咱們國家現在“胖五”相當於是在成熟之中，再飛之後應該就要執行很多任務，包括火星的，也包括月球的。剛才提的兩個例子如果沒有“胖五”的支持實際上是實施不了的。

　　如果直面剛才那個問題，說到底能不能飛到太陽系的最邊緣，這和多長時間到達，發射的東西到底有多大的重量有關係。

　　稍稍量化一點，如果是發到月球的一個探測器，發到奔月的軌道上的話，應該就是八噸左右的重量；如果要是發到火星的軌道，那基本上是四噸；如果想要更快到達探測器的邊界，這個探測器就得設計的更小一些。

　　苟利軍：我想補充一點，想把一個探測器或者類似的東西送到太陽系邊緣，其實不僅僅與火箭有關，與多種因素都有關係。

　　比如說最近炒得非常熱的“旅行者2號”，它在2018年12月份的時候，根據NASA的定義說是飛出了太陽系。“旅行者1號”是在2012年的時候飛出了所謂的太陽系。

　　這裏的太陽系，其實不是真正意義上的太陽系。它定義的太陽系是太陽的日球層。也就說它飛出了太陽風和星際介質相互作用的一個界面。

　　要飛出太陽系不是火箭可以直接完成的。美國的火箭就非常厲害，可以直接把探測器送到那邊，當然火箭送到只是第一步，讓它離開地球附近，在接下來在過程中，它要經過不同的天體，比如說木星、土星，通過這些行星的引力彈弓，這種引力的加速之後才最終飛出太陽系。

　　吳寶俊：《流浪地球》這部電影當中就提到了引力彈弓。

　　苟利軍：是的。所以我們為什麼要選擇這些大的，比較重的天體呢？就是因為它質量比較大，所以一個小的天體從它那裡拿一點點角動量，對它沒有太大的影響。

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　　什麼是引力彈弓效應？

　　吳寶俊：苟老師能不能通俗地解釋一下引力彈弓效應。

　　苟利軍：比如在生活中，我拋一個乒乓球下去，如果這個桌子不動的話，彈回來的速度不會發生變化，就是說這個球垂直掉下去垂直彈上來的時候，向前的速度是零。

　　但是如果這個桌子動了，它就會獲得一個跟桌子一樣的速度，也就是說除了下落的速度還有一個水平方向的速度。總體而言它的速度就會變大，這就相當於獲得了這個桌子一部分的能量或者角動量，這就是引力彈弓的一個類比。探測器相當於從這個大的天體當中獲得了一部分角動量，從而被加速。

　　在《流浪地球》電影當中地球想借助於木星，想從木星周圍獲取一點能量從而使自身加速。結果沒想到進入的時機以及進入的角度不對，差點把自己粉碎掉。

　　吳寶俊：那《流浪地球》當中它為什麼不選火星呢？

　　苟利軍：火星太小了，首先火星比我們地球還要小，你到火星之後，結果是誰加速誰還不一定。選擇木星是有可能的，選擇土星也是有可能的，但是木星距離地球更近一點。所以“旅行者1號”首先是選擇木星再選擇土星，經過一連串的加速之後最終離開太陽系。

　　吳寶俊：所以《流浪地球》就是想脫離太陽系，想往遠了跑，所以它第一步選的木星，第二步就直奔土星去了。

　　苟利軍：這就涉及到更為複雜的一些物理道理。比如說，我們要想離開一個天體或者離開一個系統的時候，必須要滿足一定的速度。對於地球來說，必須要滿足11.2公里/秒的速度才能脫離整個地球的引力。所以想離開太陽系的話肯定也要滿足一定的速度才行。

　　吳寶俊：就是所謂的第一宇宙速度，第二宇宙速度，第三宇宙速度。

　　苟利軍：是的，直接利用火箭的推力加速，我們是達不到這種高速的，而這種引力彈弓是自然界給我們提供的一個最為有效的方法。如果我們的能源是無限大的話，那最直接粗暴的方法就是直接加速。

　　吳寶俊：正因為我們的能量是有限的，為了節省能量，所以我們要通過這種引力彈弓，一漾一漾一點一點甩出去。

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　　火星上有沒有生命？

　　吳寶俊：坊間傳言都說找外星人奔火星去找，還有一本書說《男人來自火星，女人來自金星》，所以大家都對火星上有沒有生命充滿了好奇，可能這是科學家們想要發一個探測器上去看一看的原因之一。

　　另外一個原因就是我們地球上現在有將近七十億人口了，有人就說地球上有溫室效應，環境惡化不太適合人們居住，有人提出我們幹脆移民火星吧。二位對這種像找外星人或者移民火星的想法怎麼看？

　　苟利軍：對於找外星人，美國或者歐洲已經發射了非常多這種探測器了。的確，在火星上發現了液態水，這有確鑿的證據，是由美國的一個叫MRO（Mars Reconnaissance Orbiter 火星勘測軌道飛行器）的衛星發現的。但是火星表面溫度非常低，平均溫度差不多是零下二三十度，按照我們的直覺不太可能有真正的純淨水的液態水。

　　MRO這個衛星發現的是其實是一種叫化學溶液，就是滷水。純淨水裡面加入一些所謂的化學試劑後，含有鹽，就使得它的冰點比正常要低很多。

　　另外一個問題就是到底有沒有生命呢？好多的火星車其實都是奔著那個目的去的，它們發現火星上跟地球的確有非常多的相似性。比如說被水衝刷的這種岩石圓圓的，並且非常光滑，這一點無疑就表明了它以前被水衝刷過。

　　所以現在科學界內大體有一個認識，也就是說在三四十億年前，火星之上應該是充滿著大量的液態水的，但是後來因為大氣的蒸發，慢慢的沒有足夠的壓力來維持這種液態水，以及溫度的變化，就導致整個表面的水蒸發掉了。

　　這就涉及到另外一個問題，大氣是怎麼蒸發的。總之現在已經在慢慢解開這方面的謎團，通過研究火星我們有可能可以預見到地球幾十億年以後的命運。

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　　移民火星是個靠譜的計劃嗎？

　　吳寶俊：苟老師，現在各個國家有好多組織啟動移民火星的計劃，您認為有哪些是靠譜的哪些是不靠譜的？

　　苟利軍：依照我的看法，現在沒有一個比較靠譜的。

　　賈陽：沒有國家只有組織吧？

　　苟利軍：對只有組織。比如之前聽說過有一個組織叫Mars One （火星1號）。當時在全球發起了一個海選，說要選七個人，但是只保證送你去不保證你能回來。最近我剛剛聽到消息，這個組織破產了。

　　吳寶俊：這幾個人是送出去之後破產了還是選完了之後還沒送就破產了？

　　苟利軍：選完了以後還沒有正式開始實施就破產了。所以我覺得現在有一些組織就利用火星熱潮炒概念，然後騙取一些錢財。

　　埃隆·馬斯克說希望自己有一天能移民火星並且能夠在火星上退休，賈老師如何評價他的看法呢？

　　賈陽：這個作為人類的暢想我覺得是值得讚美的，奔月的夢想我們今天實現了，所以有夢想是好事，但是列出具體的時間表，比如說要賣票了或者是在退休之前能實現，我覺得這都屬於炒作的行為。

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　　送人上火星難度有多大？

　　吳寶俊：有沒有可能我們下一步直接送人上火星？這個在技術難度上比送人上月球大還是小？

　　賈陽：大得多得多。到月球去然後再回來，整個計劃的任務時間通常也就在十幾天左右。如果說載人到火星，按現在的技術能力，先要九個月左右的時間飛過去，還得在那兒等，因為回家的窗口不是天天開著的，等上一個接近年的單位，然後再以一年的時間回來，整個任務週期需要三年多以上的時間。

　　吳寶俊：您說的那個窗口是指一個合適的距離合適的時間吧？

　　賈陽：實際上現在去火星，由於我們的能力或者說人類的能力有限，是要利用天體之間的運行規律，給我們打開有限的一段時間。

　　比如說這幾天你可以發射，如果過幾天你再發射就到不了了。從地球到火星去，需要的能量比較少的機會兩年多才有一次。基於這樣的一個原因，剛才說的任務就不是短時間能完成的，是以年為單位的。

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　　生活在火星上有什麼困難？

　　吳寶俊：活在火星的表面會有哪些困難？

　　賈陽：我覺得這算是一個暢想型的回答，是遙遠的而且沒有時間表的一個事情。首先人到火星之後很大程度上要用本地的資源，不能什麼東西都是從地球上帶過去，這是承受不了的。

　　首先要防輻射，它的大氣比較稀薄，不像地球大氣對人保護得這麼好。一種有效的手段就是建一個地下的或者半地下的城堡，這個城堡的建設暢想起來類似於3D打印那樣的方式。

　　假設用火星當地的土壤和礦物，在高溫熔融的狀態下建一個氣密性的城堡，上面可以是透明的，能夠進陽光，能把能量吸進來，那麼相對來說在一定的土壤深度下溫度就變成恒定的狀態了，這對人類生活也有好處。

　　長時間生活的話有一個問題是人的肌肉的退化。因為重力不一樣。但也不一定非得鍛鍊，因為在不鍛鍊的情況下，長時間地繁衍下去，可能人類的一個亞種就誕生了，就不太適合生活在地球，就適合生活在火星了。

　　吳寶俊：火星表面的引力比地球小不少。

　　賈陽：火星引力可能是地球引力的四成。

　　苟利軍：剛剛賈老師提到了可以通過3D打印的方式，利用當地的資源去建造房屋。前一段時間NASA就發起了類似的競賽，比如說如何利用當地的資源來建造設計一種非常合適的東西，比如說，可以防輻射的、恒溫的東西。

　　吳寶俊：是一個建築學的設計比賽。

　　賈陽：打印一個扳手，一個建築，一塊磚，模型之類的。

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　　運載火箭用哪種能源最好？

　　吳寶俊：回到火箭運載技術這個問題。我們的運載火箭技術和SpaceX的獵鷹火箭技術是不一樣的。咱們國家用的是液氧煤油技術，而他們用的是液氧甲烷技術，這兩個技術之間有什麼區別呢？

　　賈陽：差別還是比較大的。從推進劑使用的時間長短或者傳統性上，兩種推進劑其實都有比較悠久的曆史了，但是總的來說煤油相對更成熟一點。煤油裡大概有十幾個碳組成的串形成的一種混合物，甲烷是個純淨物，就是 CH4。

　　如果用甲烷的話，這個推進劑要在更低的溫度下才能保持液化的狀態。用煤油的話相對來說保存起來就更容易，這是煤油好的地方。

　　但是為什麼在重複使用的火箭裡面選擇甲烷呢？這就跟汽車積碳的道理有點相似，如果火箭想走可重複利用的道路，就不希望在發動機里產生積碳。甲烷相對來說碳的數量比較少，更不容易在發動機里積碳，可以多次重複使用。

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　　美國在研發火星用的核反應堆？有什麼用？

　　吳寶俊：網上說美國正在研發火星用的核反應堆，這個核反應堆有什麼用？

　　賈陽：確實這個技術是有用的，但不一定用在火星上，有很多用這個技術的地方。隨著探測器和太陽之間的距離越來越遠，太陽的光就越來越弱，那麼靠太陽能電池發電供探測器使用的方式到了比較遠的地方就不太可行了。

　　吳寶俊：就是用來給探測器提供能量的。

　　賈陽：對，但是探測器工作總是需要電的，這個電在地球軌道或者月球或者火星可以靠太陽能發電的方式解決，但是到更遠的地方去，比如說冥王星探測，那個時候陽光就已經很弱了，再靠這個方式就不靈了，所以就需要用核的方式。

　　但是在核裡面又分各種各樣的方式，比如說聚變的方式，相當於氫彈那樣的道理，或者是裂變的方式，類似原子彈的道理。我們現在可能先利用比較溫和的衰變方式，慢慢放出一部分熱量，然後把它用來發電，美國的火星車就用過相關的技術。

　　如果特別強調反應堆的話，我覺得最主要的功能就是發電給探測器提供電能，這是一個比較切實的想法。

　　苟利軍：我挺讚同賈老師說的，以後如果登上火星怎麼取得能源，有可能反應堆是一個非常成熟的，我們在地球上已經做過非常多測試的一種方式。

　　我還想到了另外一點，比如說在很久以前就有科學家設想怎麼通過一種聚變的方式，讓火星的大氣快速達到一定的濃度。因為我們知道它的溫度相對比較低，在南北兩極有大量的乾冰，所以就有人提出，通過轟炸的方式讓這些氣體揮發起來，使得氣體的濃度增大，大氣壓力就能增加，但是不太可靠，所以僅僅是一種設想而已並沒有真正去實現它。

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　　火星採礦應該怎麼實現？

　　吳寶俊：火星的第一步成功以後，第二步計劃可能是巡航後返回，返回的時候是不是有可能把采樣帶回來一些，具體怎麼采，采什麼東西呢？

　　賈陽：目前沒有列入到計劃里，但是把火星表面的樣品采回來確實是火星探測“皇冠上的明珠”，至少大家都盼著這件事能實現。

　　到了火星表面上有兩種采法，一種是傻采型。落地之後旁邊有什麼就把它抓起來。還有一種高級一點的，就是在旁邊鑽一定的深度，鑽到地下比如1米、2米深的岩石，這是一種方式。

　　還有一種就是帶輛車，這輛車開出去可以在科學家感興趣的地方采岩石的樣品，然後再把它帶回來，送到地球上。應該說形式還是很多樣的。

　　苟利軍：應該是2020年，好多國家都有類似的發射火星探測器採礦回來的計劃，美國也有一個這種探測計劃。他們之前已經成功了非常多次，所以這次就想採礦然後再帶回來，這是他們其中的一個目標。

　　此外，之前也有好多設備可以用來採礦，比如說好奇號、機遇號，另外還有InSight（洞察號）—— 前一段時間製造的相當於地震儀的那個東西，它們都是通過打礦的方式，讓鑽頭鑽下去然後再把樣本取出來。火星車內部就有一個小型的化學實驗室，樣本鑽出來以後放到裡面進行光譜分析得到它的組成成分等等。

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　　同一個世界，同一個夢想——各國都有火星夢

　　吳寶俊：1988年日本探測火星失敗了；歐洲兩次軌道系成功了但是著陸系失敗了；美國失敗的次數非常多，極地著陸者在距離火星表面40米的時候墜毀了；俄羅斯蘇聯的探測器水平從指標來看是大幅領先美國的，但是基本上20多個火星探測器全部都失敗了；印度2013年發射的火星探測器成功了，成為第一個成功的亞洲國家。為什麼探測火星的失敗率這麼高，它的難點到底在哪裡？

　　賈陽：其實要把剛才那段長長的曆史分成兩個部分。一個就是早期冷戰的時候，蘇美爭奪誰第一個到火星的階段，也就是大概50年前的那個階段，那時候可靠性確實比較差，成功率確實不高。

　　第二個階段是最近的十幾年，包括剛才說的印度實現了亞洲首次環（繞）火（星）飛行等等，這是屬於第二個階段的事情。這個時候就已經不再是盲目的打一個試一試的階段了，是追求可靠性的階段。

　　總的來說，火星對俄羅斯人來說算是一個墳墓，若干次都沒有成功，沒有特別完美的案例。但是我們也要吸取人家的經驗和教訓，站在所謂巨人肩膀上我們才能走得更遠。對於馬上要實施的這次任務，我們還是要謹小慎微，儘量多考量。

　　主要就有一個技術難點，就是因為遠，遠了之後在那邊出現了什麼事情不像在地球附近那樣我們能夠及時處理，需要探測器自主決策遇到這些問題之後該怎麼辦。

　　吳寶俊：這中間有沒有可能用到人工智能的技術？

　　賈陽：我們現在還沒敢把詞用到那麼高，自主是肯定需要的，所有的事情都需要探測器自己決定，遇到故障、異常走哪一個分支，這些事情都要靠探測器自己應對。智能是我們努力的方向。

　　吳寶俊：有很多網友對印度的一發成功還挺驚訝的，這是不是意味著咱們的航天探索能力落後於印度了？

　　賈陽：首先得祝賀人家，確實是亞洲第一個實現火星的環繞的國家。但是我們這一次去，方案設計或者整個規劃就沒想要再走這條路了。

　　吳寶俊：因為印度已經實現環繞了，所以咱們就可以跳過這一步。

　　賈陽：我們不太想簡單環繞一下了，而是想把難度提高，把一階段和二階段兩步並作一步走，既實現環繞又要進到大氣裡面去，落在火星表面然後把我們的車開出來，難度係數是不同的。

　　苟利軍：在下落的過程當，到時候會不會在空中有好幾個小的環繞器跟地面上進行溝通，相當於一個中繼器呢？

　　賈陽：等到我們的火星車工作的時候，肯定是需要中繼星把探測的數據、圖片傳到地面上來，但是（降）落火（星）的時候只有一個環繞器。雖然旁邊有美國的環繞器，但是我們至少目前還沒有要依賴美國的環繞器給我們傳數據來執行這個任務。這次任務還是一個獨立自主的規劃。

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　　想成為火星探測的築夢者，該學什麼專業？

　　吳寶俊：有誌的年輕人看了這個節目後，希望在將來成為一位火星探測或者其他行星探測的總設計師，他在上大學的時候應該報考什麼樣的專業？

　　賈陽：我覺得首先一個概唸得把它分開，就是到底想做科學家還是想做工程師。如果想搞科學研究，做出新發現，就得讓苟老師來說。

　　如果想做工程師，很多專業都可以，比如說我本身是學傳熱的，然後學計算機、電子，或者是機械，需求量都是比較大的。需求量小的，比如說工業設計，設計火星車的時候，為了把它設計得既滿足功能的要求，又滿足審美漂亮的需要，我們實際上也是做了相應的工業設計的，這就屬於小眾一點的需求。

　　應該說工科的差不多和航天器的工業設計都有關係，典型的學校比較多，包括北京航空航天大學、北理工、南航、哈工大等等。各個學校最擅長的專業又有所不同，這個就不展開了。

　　吳寶俊：苟老師，您說說要做科學家的話要報考什麼專業呢？

　　苟利軍：要說科學，尤其是天文學，我覺得相對會比較簡單，因為在國內有比較成熟的相應的專業。比方說中國科學院大學裡面就有天文與空間學院，除此之外還有南京大學、北京師範大學、北大、清華等等。好多學校裡面都有天文的專業。

　　所以如果你感興趣，這些學校天文專業都有系統性的學科，而且也有非常好的老師，最終在你自己的努力之下，我覺得肯定會達到你的理想和目標的。