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近20年美国火星探测战略演化分析

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◎张贤明王一然

2011年3月，美国发布的《2013～2022年行星科学的愿景与航程》将火星定为首要行星探测目标。历史上，火星就是美国探测次数最多的地外天体，进入21世纪第二个十年，火星探测将继续在美国整个太空探测活动中扮演重要角色。本文按照时间顺序，回顾了上世纪90年代以来美国火星探测战略及其特点，对美国火星探测科学战略、火星探测项目规划以及执行方针进行了重点探讨。

一、20世纪90年代美国火星探测战略

1989年美国总统布什提出新的“空间探索倡议”(SEI)，标志着美国打破长达近20年的深空探测“沉寂期”，开启了自人类进入航天时代以来的第二轮火星探测高潮。1993年，“火星观察者”任务失败后，美国制定了一个长期的机器人火星探测计划——火星探测计划(MEP)。1996年，NASA喷气推进实验室提出《火星探测战略(1995—2020)》。该战略涵盖美国在1995～2020年这个时期的火星探测科学目标、探测器形式与每个发射窗口的任务安排。

1996年，MEP提出的目标是了解火星上的“生命、气候与资源”。这些探测目标都与水有着密切的联系。因此，当时提出的火星探测战略也被称作“水战略”。如果火星上存在过生命，那么基本可以确定该生命与水有联系。了解与水有关的演化过程会对人们了解宇宙中其它可能存在生命的地方有所帮助；水无论对于地球还是火星的气候都是关键要素，了解火星气候的历史将帮助人们更好地了解地球气候的变迁过程。水还将成为未来人类亲临火星探测时的重要资源。如果人们知道火星的演化，就可以尝试在存有水的地方驻扎。基于此，喷气推进实验室设想了一条由小型火星轨道器群、着陆器群、着陆器网以及火星采样返回任务(MSR)组成的“任务链”，从而了解火星上现存水或曾经存在过的水的情况。各种探测器用途的详细描述见表1。

美国在MEP的大框架下，又制定了一个以实现火星采样返回为目标的“火星勘测计划”(MSP)。MSP要在每个火星探测发射窗口实施两个项目（轨道器和着陆器）。每个项目都按照时任NASA局长戈尔丁提出的“更好、更快、更廉价”的策略进行。另外，还制定了1998年、2001年、2003年与2005年的具体探测计划（见表2）。

二、21世纪初美国火星探测战略

“火星气候轨道器”与“火星极地着陆器”在1999年相继损失，使美国火星探测活动遭受有史以来的最大挫折。事后，NASA事故调查委员会在“火星极地着陆器”的设计方案中发现了20多个潜在的致命缺陷。人们认为造成这些失误的一个主要原因就是火星探测计划初期提出的“更快、更好、更廉价”策略。严格而近乎苛刻的经费与日程限制，降低了航天器性能，显著增加了探测项目风险。航天器失败使美国火星探测的执行策略发生明显变化，相关部门不再一味追求探测项目的“快速与低成本”，而适度放宽了项目资金的限制，更加注重控制项目风险，力求让项目取得丰硕的科学成果。

几平在火星探测策略转型的同一时间，非官方机构“火星探测计划分析小组”(MEPAG)成立。MEPAG将科学家、JPL的先进任务规划者与工业界人士组织在一起，共同形成未来探测战略建议。同时，NASA的顾问小组与美国科学研究委员会也提出该领域的推荐任务。来自这些组织的建议构成了美国火星探测规划过程中的中心议题。在21世纪的第一个10年中，先后出现过三个重要的火星探测科学战略主题，它们分别是：2000年提出的“追踪水”，2004年提出的“将火星当作一个系统来认识”以及2008年提出的“寻找可居住的环境”。

由MEPAG等机构发布的主要火星探测战略性文件包括：《火星探测科学规划(2001)》、《2009～2020火星探测战略白皮书(2003)》、火星科学目标、子目标、考察项目与优先级(2001、2004、2005、2008、2010版)》。这些文件构成了美国21世纪初的火星探测战略体系。与1996年提出的火星探测战略相比，该战略体系寻求实现的基本科学目标与前者差异不大，探测器形式也没有突破性的变化；但该战略体系在某些方面做出了明显的调整，使得体系更加完整，探测目标与探测活动的结合更加紧密。其具体表现在：

(1)强调“探寻火星生命”是火星探测的主要目标，并将“追踪水”定位为实现多个目标的手段。

(2)将科学目标整合为“生命、气候、地质状况与为载人探测做准备”四大目标。四大目标的探测优先级基本相同，“生命”被认定为首要探索目标。

(3)充分体现火星探测任务的“科学驱动”性。明确要通过“科学驱动”的机器人任务（火星表面、临近火星表面或火星轨道上）实现战略目标。

(4)提出由“目标、子目标、调查活动、具体活动”组成的多层次目标体系；将探测目标与具体实践活动紧密结合。详情见表