中国火星航天航班化运输系统与火星水源分布“海量水冰储量”

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TIX·零度实验室

讲解：李逍遥

2021年全球航天探索大会在俄罗斯召开，中国航天科技集团一院院长、IAF副主席王小军应邀作了题为《载人火星探测航天运输系统》的大会报告。王小军简要回顾了全球火星探测的发展情况，在此基础上，提出了未来载人火星探测发展路线及任务架构，明确了载人火星探测任务航天运输系统的组成、特点、总体方案与设计参数。计划在2033年、2035年、2037年、2041年及以后进行载人火星探测。王小军称，在开始载人探测前，中国将进行机器人火星探测，进行火星基地选址考察、原位资源利用系统建设等。预计在2030年底前还将有一次不载人的往返任务，采集火星土壤样本。

火星探测“三步走”设想细节公布：火星航班化探测

中国运载火箭技术研究院还披露了火星探测“三步走”设想细节。中国计划先进行机器人火星探测，属于技术准备阶段，主要任务包括：火星采样返回、火星基地选址考察、原位资源利用系统建设。这个阶段采用大型或重型运载火箭，直接将探测器发射至地火转移轨道，探测器采用化学推进，选择脉冲式合式轨道，并利用反推制动达到火星进行探测。

在载人火星探测“三步走”设想下，完成了机器人火星探测后，中国将展开初级探测，主要任务包括：载人环火、轨道探测、载人火星着陆探测、火星基地建设。针对轨道转移设计了一种新型任务构架，该构架采用核电核热推进组合、人货分运，在近地球轨道(LEO)组装，从HEO出发，配合使用火星气动捕获。

第三部将进行航班化探测，主要任务包括大规模地火运输舰队，大规模开发与应用。采用核动力一体化运输模式，从地球空间驿站、日地L2等基地出发，选择地火循环轨道，地火循环轨道上已布置转移飞行器，转移飞行器的推进剂由地面或空间加注站补给。

火星全球水源分布：海量水冰储量

首先我们要搞明白一个重要问题，40亿年前，火星有致密的大气层，有海洋、湖泊和河流，像现在的地球一样温暖湿润，现在却变得极度寒冷、干燥。由“奥德赛号”火星探测器拍摄的火星地下水冰分布（图1蓝色为水冰含量地区），显示现在火星南、北两个极冠中的水冰，大约相当于格陵兰岛的冰含量，如果全部融化并均匀分布在火星表面，会形成一个厚约10米的水层，相当于我们建设了一个火星面积大小的10米深游泳池。

2021年1月1日，国家航天局发布中国首次火星探测任务“天问一号”探测器回传的最新图像，包含环绕器与火星合影、环绕器局部特写、火星北极水冰盖（图2白色水冰盖）。

2005年2月2日，“火星快车”探测器拍到了火星陨石坑中存在水冰的照片（图3）。该陨石坑直径35千米，深2千米，在陨石坑的一个边缘也可以看到大量水冰。

2021年12月15日，欧洲航天局发布公告称，该机构与俄罗斯国家航天集团公司（Roscosmos）联合实施的火星探测项目通过其微量气体轨道飞行器（TGO）发现，火星水手号峡谷中心区域的地下存在大量的水（图4、5），这些水可能以冰或者含水矿物的形态存在。据称，这片含水地带的面积相当于整个荷兰的大小。

“凤凰号”：地表一厘米处挖掘出水冰

      2008年5月26日，寒冷的火星北极地区迎来了一只浴火重生的凤凰——“凤凰号”。“火星极地登陆者号”于1999年1月发射，1999年12月3日开始在南极区域降落，开始一切顺利，但在距火星地表仅40米时，失控坠毁了。“火星极地登陆者号”的备份组件，被用来制造新的探测器——“凤凰号”，寓意“火星极地登陆者号”死而复生，也是其任务目标的延续。但为了安全，“凤凰号”的着陆目标换成了火星北极区域——那里地势更加平坦空旷。着陆地点为火星北纬68度，相当于地球北极圈内。“凤凰号”不是火星车，不能在火星上跑来跑去，只是一个固定的工作平台。它可以伸出机械臂去挖掘，机械臂长约6米，所以它的探测范围只有百十来平方米，在广袤的火星表面，就是一个点。

“凤凰号”从地球上奔波几亿千米，击中火星表面的一个点，碰巧就能挖到期待中的水冰吗？结果，“凤凰号”一铲下去，混杂在土壤地表一厘米处的白色物质相当明显——实实在在就是水冰，证实了以前的“奥德赛号”探测器的遥感探测相当可信。“凤凰号”的工作平台对着挖掘坑拍照。2008年6月15日到18日，相隔三天，白色的固态冰面积略微变小，表明它升华了，在阳光照射下直接从固态变成了气体，“凤凰号”挖掘后水冰相隔三天的升华变化（图4）。

“凤凰号”真切体验了火星极地的严寒，那里晚上气温低至零下100多摄氏度，极其寒冷。寒风肆虐，平均风速超过100米／秒，是地球上12级风的三倍。在极端严酷的北极环境中，“凤凰号”看到了奇异景象。一天清晨，天空中竟然飘起了雪花。在那个遥远的异域世界里，能看到雪花飘飘，颇有一种梦幻的错觉。不过，那雪在本质上和故乡地球的雪不同，那极可能是干冰颗粒，还没降落到地面便已消失，大地并没有白雪皑皑。

图1蓝色为火星全球地表水冰含量地区

图2“天问一号”探测器回传的火星北极冰盖

图3火星陨石坑中存在水冰的照片

图4、5火星水手号峡谷中心区域的地下存在大量的水

图6“凤凰号”挖掘后相隔三天的变化     

图：火星北极地区迎来了一只浴火重生的凤凰——“凤凰号”

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