火星，我国古书称之为“荧惑星”，古罗马称之为“玛尔斯星”，由于与地球有诸多相似之处而受到瞩目。已往几十年，美国、俄罗斯、日本、印度等国都曾向火星发送探测器。

今年，我国也将首次举行火星探测。作为太阳系八大行星之一，火星事实有什么魅力，引发多国的探索热情？我国的火星探测义务蓄势待发，详细有什么设计？火星上发现了液态水，到底上面有没有生命存在？移民火星是不是靠谱？火星采矿应该怎么实现？想成为太空探索的筑梦者，该学什么专业？

作者：SELF格致论道讲坛，题图来自：《火星救援》题图

中国有怎样的火星探测设计？

吴宝俊：周星弛有一部著名的影戏叫《少林足球》，内里有一句经典台词“地球太危险，你回到火星去吧”，我们今天就要聊一聊怎么回到火星。

前一段时间媒体曝出了中国的火星探测义务，咱们的火星探测器什么时刻发射？

贾阳：2020年的炎天若是一切顺利的话我们的火星探测器就奔火星去了。整个时间对照长，由于火星对照远，要飞到的话需要七八个月的时间，然后还要开展也许一年以上的探测。

吴宝俊：火星车也许有多大？

贾阳：从车体来说差不多两个桌子这么大。

吴宝俊：火星车和探测器是同一个器械吗？

贾阳：探测器是一个大名称，火星车是其中的一类在火星上走的探测器。探测器在火星的轨道上绕着火星飞，这叫围绕器，也是探测器之一，就跟地球的卫星看地面原理是一样的。

另有一种在到火星外面的时刻进入，叫做进入器或者进入舱。然后把这个火星车从进入舱内里放出来，在火星上最先走，叫巡视，这个时刻火星车就酿成一个自己自力的巡视器。探测器是一个总的称谓。

吴宝俊：贾先生，咱们国家的火星探测设计分几步走？

贾阳：宏观来说是这样的，探测月球的时刻咱们国家的设计是分成三步走的。第一步是绕着月亮飞，第二步是落到月亮外面上去，第三步是把月球的样品取回来。就是所谓的“绕、落、回”三个阶段。

然则火星探测的第一步想把前两步合并，就是既实现绕着火星围绕，又实现到火星的外面上去开展探测，然则做不到把火星的样品取回来。

吴宝俊：是不是由于吸收了许多我们探月时刻的手艺上的履历，以是就可以合二为一了？

贾阳：有手艺进步的缘故原由，也有一个缘故原由就是去火星的这个窗口太名贵，一样平常二十几个月才有一次去的时机，若是要是按部就班一次次走的话战线就会拉得更长一些。现在是希望把我们的（降）落火（星）然后巡视这个愿望早日实现。

探索火星的初心是什么？

吴宝俊：有一句话说的好，叫做不忘初心，切记使命。探索火星的初心，就是原始的念头是什么？火星有什么不一样的地方，或者说火星有什么稀奇的点呢？

苟利军：可以从天文学观察的角度去追溯一下。首先，火星是我们能够看到的可以移动的五颗行星之一。在金、木、水、火、土这五颗行星当中，金星跟火星实在跟地球相对对照近的，然则金星周围包含着一层厚厚的大气，我们是看不清它的外面的。

只管现在我们知道金星实在跟地球更为靠近，它的巨细跟地球更为靠近，而火星的直径实在差不多是地球直径的一半，以是它要小异常多，然则火星的大气要薄许多，以是我们可以直接看到它外面的种种状态。

19世纪的时刻，已经有一米多口径巨细的望远镜了，它就可以直接看到火星外面的特征，发现有很多多少沟渠一样的器械。那时人们就异常地兴奋，以为这是那时火星文明挖出来的一些类似运河的器械。

我们现在知道有可能火星另外还具有一些其他的跟地球很靠近的特征。以是若是我们能够站在火星之上，就能感受到火星四序的转变,然则在其他的行星好比金星上就没有这种转变。

另外火星处于太阳系之内的宜居区的最外边缘。宜居区是在已往二十多年地外生命探测的历程中提出来的，也就是说在这个局限之内有可能会有生命的存在。

对于火星而言，它正利益于太阳系内宜居区的外边缘，那就说明火星上可能会有液态水或者甚至生命的存在。

太空探索的界限受到什么因素影响？

吴宝俊：人类的太空探索界限的很大程度上取决于火箭运载能力，咱们国家的火箭运载能力最强的是长征五号。长征五号能把探测器最远送到太阳系的那里呢？

贾阳：火箭确实是航天手艺往前走的一个基础平台，它提供的能力越大，整个航天的舞台就越大，这是毋庸置疑的。咱们国家现在“胖五”相当于是在成熟之中，再飞之后应该就要执行许多义务，包罗火星的，也包罗月球的。适才提的两个例子若是没有“胖五”的支持实际上是实行不了的。

若是直面适才谁人问题，说到底能不能飞到太阳系的最边缘，这和多长时间到达，发射的器械到底有多大的重量有关系。

稍稍量化一点，若是是发到月球的一个探测器，发到奔月的轨道上的话，应该就是八吨左右的重量；若是要是发到火星的轨道，那基本上是四吨；若是想要更快到达探测器的界限，这个探测器就得设计的更小一些。

苟利军：我想弥补一点，想把一个探测器或者类似的器械送到太阳系边缘，实在不仅仅与火箭有关，与多种因素都有关系。

好比说最近炒得异常热的“旅行者2号”，它在2018年12月份的时刻，凭据NASA的界说说是飞出了太阳系。“旅行者1号”是在2012年的时刻飞出了所谓的太阳系。

这里的太阳系，实在不是真正意义上的太阳系。它界说的太阳系是太阳的日球层。也就说它飞出了太阳风和星际介质相互作用的一个界面。

要飞出太阳系不是火箭可以直接完成的。美国的火箭就异常厉害，可以直接把探测器送到那里，固然火箭送到只是第一步，让它脱离地球四周，在接下来在历程中，它要经由差异的天体，好比说木星、土星，通过这些行星的引力弹弓，这种引力的加速之后才最终飞出太阳系。

吴宝俊：《落难地球》这部影戏当中就提到了引力弹弓。

苟利军：是的。以是我们为什么要选择这些大的，对照重的天体呢？就是由于它质量对照大，以是一个小的天体从它那里拿一点点角动量，对它没有太大的影响。

什么是引力弹弓效应？ 

吴宝俊：苟先生能不能通俗地解释一下引力弹弓效应。

苟利军：好比在生涯中，我抛一个乒乓球下去，若是这个桌子不动的话，弹回来的速率不会发生转变，就是说这个球垂直掉下去垂直弹上来的时刻，向前的速率是零。

然则若是这个桌子动了，它就会获得一个跟桌子一样的速率，也就是说除了着落的速率另有一个水平偏向的速率。总体而言它的速率就会变大，这就相当于获得了这个桌子一部门的能量或者角动量，这就是引力弹弓的一个类比。探测器相当于从这个大的天体当中获得了一部门角动量，从而被加速。

在《落难地球》影戏当中地球想借助于木星，想从木星周围获取一点能量从而使自身加速。效果没想到进入的时机以及进入的角度纰谬，差点把自己破坏掉。

吴宝俊：那《落难地球》当中它为什么不选火星呢？

苟利军：火星太小了，首先火星比我们地球还要小，你到火星之后，效果是谁加速谁还不一定。选择木星是有可能的，选择土星也是有可能的，然则木星距离地球更近一点。以是“旅行者1号”首先是选择木星再选择土星，经由一连串的加速之后最终脱离太阳系。

吴宝俊：以是《落难地球》就是想脱离太阳系，想往远了跑，以是它第一步选的木星，第二步就直奔土星去了。

苟利军：这就涉及到更为庞大的一些物理原理。好比说，我们要想脱离一个天体或者脱离一个系统的时刻，必须要知足一定的速率。对于地球来说，必须要知足11.2公里/秒的速率才气脱离整个地球的引力，以是想脱离太阳系的话一定也要知足一定的速率才行。

吴宝俊：就是所谓的第一宇宙速率，第二宇宙速率，第三宇宙速率。

苟利军：是的，直接行使火箭的推力加速，我们是达不到这种高速的，而这种引力弹弓是自然界给我们提供的一个最为有用的方式。若是我们的能源是无限大的话，那最直接粗暴的方式就是直接加速。

吴宝俊：正由于我们的能量是有限的，为了节约能量，以是我们要通过这种引力弹弓，一漾一漾一点一点甩出去。

火星上有没有生命？

吴宝俊：坊间传言都说找外星人奔火星去找，另有一本书说《男子来自火星，女人来自金星》，以是人人都对火星上有没有生命充满了好奇，可能这是科学家们想要发一个探测器上去看一看的缘故原由之一。

另外一个缘故原由就是我们地球上现在有快要七十亿人口了，有人就说地球上有温室效应，环境恶化不太适合人们栖身，有人提出我们爽性移民火星吧。二位对这种像找外星人或者移民火星的想法怎么看？

苟利军：对于找外星人，美国或者欧洲已经发射了异常多这种探测器了。简直，在火星上发现了液态水，这有确凿的证据，是由美国的一个叫MRO（Mars Reconnaissance Orbiter 火星勘察轨道航行器）的卫星发现的，然则火星外面温度异常低，平均温度差不多是零下二三十度，根据我们的直觉不太可能有真正的纯净水的液态水。

MRO这个卫星发现的是实在是一种叫化学溶液，就是卤水。纯净水内里加入一些所谓的化学试剂后，含有盐，就使得它的冰点比正常要低许多。

另外一个问题就是到底有没有生命呢？很多多少的火星车实在都是奔着谁人目的去的，它们发现火星上跟地球简直有异常多的相似性。好比说被水冲刷的这种岩石圆圆的，而且异常滑腻，这一点无疑就表明晰它以前被水冲刷过。

以是现在科学界内大要有一个熟悉，也就是说在三四十亿年前，火星之上应该是充满着大量的液态水的，然则厥后由于大气的蒸发，逐步的没有足够的压力来维持这种液态水，以及温度的转变，就导致整个外面的水蒸发掉了。

这就涉及到另外一个问题，大气是怎么蒸发的。总之现在已经在逐步解开这方面的谜团，通过研究火星我们有可能可以预见到地球几十亿年以后的运气。

移民火星是个靠谱的设计吗？

吴宝俊：苟先生，现在各个国家有很多多少组织启动移民火星的设计，您认为有哪些是靠谱的哪些是不靠谱的？

苟利军：遵照我的看法，现在没有一个对照靠谱的。

贾阳：没有国家只有组织吧？

苟利军：对只有组织。好比之前听说过有一个组织叫Mars One （火星1号）。那时在全球发起了一个海选，说要选七小我私家，然则只保证送你去不保证你能回来。最近我刚刚听到新闻，这个组织停业了。

吴宝俊：这几小我私家是送出去之后停业了照样选完了之后还没送就停业了？

苟利军：选完了以后还没有正式最先实行就停业了，以是我以为现在有一些组织就行使火星热潮炒观点，然后骗取一些钱财。

埃隆·马斯克说希望自己有一天能移民火星而且能够在火星上退休，贾先生若何评价他的看法呢？

贾阳：这个作为人类的畅想我以为是值得赞美的，奔月的梦想我们今天实现了，以是有梦想是好事，然则列出详细的时间表，好比说要卖票了或者是在退休之前能实现，我以为这都属于炒作的行为。

送人上火星难度有多大？

吴宝俊：有没有可能我们下一步直接送人上火星？这个在手艺难度上比送人上月球大照样小?

贾阳：大得多得多。到月球去然后再回来，整个设计的义务时间通常也就在十几天左右。若是说载人到火星，按现在的手艺能力，先要九个月左右的时间飞已往，还得在那儿等，由于回家的窗口不是天天开着的，等上一个靠近年的单元，然后再以一年的时间回来，整个义务周期需要三年多以上的时间。

吴宝俊：您说的谁人窗口是指一个合适的距离合适的时间吧？

贾阳：实际上现在去火星，由于我们的能力或者说人类的能力有限，是要行使天体之间的运行纪律，给我们打开有限的一段时间。

好比说这几天你可以发射，若是过几天你再发射就到不了了。从地球到火星去，需要的能量对照少的时机两年多才有一次。基于这样的一个缘故原由，适才说的义务就不是短时间能完成的，是以年为单元的。

生涯在火星上有什么难题？

吴宝俊：活在火星的外面会有哪些难题？

贾阳：我以为这算是一个畅想型的回覆，是遥远的而且没有时间表的一个事情。首祖先到火星之后很大程度上要用内陆的资源，不能什么器械都是从地球上带已往，这是承受不了的。

首先要防辐射，它的大气对照稀薄，不像地球大气对人保护得这么好。一种有用的手段就是建一个地下的或者半地下的城堡，这个城堡的建设畅想起来类似于3D打印那样的方式。

假设用火星当地的土壤和矿物，在高温熔融的状态下建一个气密性的城堡，上面可以是透明的，能够进阳光，能把能量吸进来，那么相对来说在一定的土壤深度下温度就酿成恒定的状态了，这对人类生涯也有利益。

长时间生涯的话有一个问题是人的肌肉的退化。由于重力不一样。但也不一定非得磨炼，由于在不磨炼的情况下，长时间地繁衍下去，可能人类的一个亚种就诞生了，就不太适合生涯在地球，就适合生涯在火星了。

吴宝俊：火星外面的引力比地球小不少。

贾阳：火星引力可能是地球引力的四成。

苟利军：刚刚贾先生提到了可以通过3D打印的方式，行使当地的资源去制作衡宇。前一段时间NASA就发起了类似的竞赛，好比说若何行使当地的资源来制作设计一种异常合适的器械，好比说，可以防辐射的、恒温的器械。

吴宝俊：是一个修建学的设计竞赛。

贾阳：打印一个扳手，一个修建，一块砖，模子之类的。

运载火箭用哪种能源最好？

吴宝俊：回到火箭运载手艺这个问题。我们的运载火箭手艺和SpaceX的猎鹰火箭手艺是不一样的。咱们国家用的是液氧煤油手艺，而他们用的是液氧甲烷手艺，这两个手艺之间有什么区别呢？

贾阳：差异照样对照大的。从推进剂使用的时间是非或者传统性上，两种推进剂实在都有对照悠久的历史了，然则总的来说煤油相对更成熟一点。煤油里也许有十几个碳组成的串形成的一种混合物，甲烷是个纯净物，就是 CH₄。

若是用甲烷的话，这个推进剂要在更低的温度下才气保持液化的状态。用煤油的话相对来说保存起来就更容易，这是煤油好的地方。

然则为什么在重复使用的火箭内里选择甲烷呢？这就跟汽车积碳的原理有点相似，若是火箭想走可重复行使的门路，就不希望在发念头里发生积碳。甲烷相对来说碳的数目对照少，更不容易在发念头里积碳，可以多次重复使用。

美国在研发火星用的核反应堆？有什么用？

吴宝俊：网上说美国正在研发火星用的核反应堆，这个核反应堆有什么用？

贾阳：确实这个手艺是有用的，但不一定用在火星上，有许多用这个手艺的地方。随着探测器和太阳之间的距离越来越远，太阳的光就越来越弱，那么靠太阳能电池发电供探测器使用的方式到了对照远的地方就不太可行了。

吴宝俊：就是用来给探测器提供能量的。

贾阳：对，然则探测器事情总是需要电的，这个电在地球轨道或者月球或者火星可以靠太阳能发电的方式解决，然则到更远的地方去，好比说冥王星探测，谁人时刻阳光就已经很弱了，再靠这个方式就不灵了，以是就需要用核的方式。

然则在核内里又分林林总总的方式，好比说聚变的方式，相当于氢弹那样的原理，或者是裂变的方式，类似原子弹的原理。我们现在可能先行使对照温顺的衰变方式，逐步放出一部门热量，然后把它用来发电，美国的火星车就用过相关的手艺。

若是稀奇强调反应堆的话，我以为最主要的功效就是发电给探测器提供电能，这是一个对照切实的想法。

苟利军：我挺赞许贾先生说的，以后若是登上火星怎么取得能源，有可能反应堆是一个异常成熟的，我们在地球上已经做过异常多测试的一种方式。

我还想到了另外一点，好比说在很久以前就有科学家设想怎么通过一种聚变的方式，让火星的大气快速到达一定的浓度。由于我们知道它的温度相对对照低，在南北两极有大量的干冰，以是就有人提出，通过轰炸的方式让这些气体挥发起来，使得气体的浓度增大，大气压力就能增添，然则不太可靠，以是仅仅是一种设想而已并没有真正去实现它。

火星采矿应该怎么实现？

吴宝俊：火星的第一步乐成以后，第二步设计可能是巡航后返回，返回的时刻是不是有可能把采样带回来一些，详细怎么采，采什么器械呢？

贾阳：现在没有列入到设计里，然则把火星外面的样品采回来确实是火星探测“皇冠上的明珠”，至少人人都盼着这件事能实现。

到了火星外面上有两种采法，一种是傻采型。落地之后旁边有什么就把它抓起来。另有一种高级一点的，就是在旁边钻一定的深度，钻到地下好比1米、2米深的岩石，这是一种方式。

另有一种就是带辆车，这辆车开出去可以在科学家感兴趣的地方采岩石的样品，然后再把它带回来，送到地球上。应该说形式照样许多样的。

苟利军：应该是2020年，很多多少国家都有类似的发射火星探测器采矿回来的设计，美国也有一个这种探测设计。他们之前已经乐成了异常多次，以是这次就想采矿然后再带回来，这是他们其中的一个目的。

此外，之前也有很多多少装备可以用来采矿，好比说好奇号、时机号，另外另有InSight（洞察号）—— 前一段时间制造的相当于地震仪的谁人器械，它们都是通过打矿的方式，让钻头钻下去然后再把样本取出来。火星车内部就有一个小型的化学实验室，样本钻出来以后放到内里举行光谱分析获得它的组成身分等等。

同一个天下，同一个梦想——各国都有火星梦

吴宝俊：1988年日本探测火星失败了；欧洲两次轨道系乐成了然则着陆系失败了；美国失败的次数异常多，极地着陆者在距离火星外面40米的时刻坠毁了；俄罗斯苏联的探测器水平从指标来看是大幅领先美国的，然则基本上20多个火星探测器全部都失败了；印度2013年发射的火星探测器乐成了，成为第一个乐成的亚洲国家。为什么探测火星的失败率这么高，它的难点到底在那里？

贾阳：实在要把适才那段长长的历史分成两个部门。一个就是早期冷战的时刻，苏美争取谁第一个到火星的阶段，也就是也许50年前的谁人阶段，那时刻可靠性确实对照差，乐成率确实不高。

第二个阶段是最近的十几年，包罗适才说的印度实现了亚洲首次环（绕）火（星）航行等等，这是属于第二个阶段的事情。这个时刻就已经不再是盲目的打一个试一试的阶段了，是追求可靠性的阶段。

总的来说，火星对俄罗斯人来说算是一个宅兆，若干次都没有乐成，没有稀奇完善的案例。然则我们也要吸收人家的履历和教训，站在所谓巨人肩膀上我们才气走得更远。对于马上要实行的这次义务，我们照样要兢兢业业，只管多考量。

主要就有一个手艺难点，就是由于远，远了之后在那里泛起了什么事情不像在地球四周那样我们能够及时处理，需要探测器自主决议遇到这些问题之后该怎么办。

吴宝俊：这中心有没有可能用到人工智能的手艺？

贾阳：我们现在还没敢把词用到那么高，自主是一定需要的，所有的事情都需要探测器自己决议，遇到故障、异常走哪一个分支，这些事情都要靠探测器自己应对。智能是我们起劲的偏向。

吴宝俊：有许多网友对印度的一发乐成还挺惊讶的，这是不是意味着咱们的航天探索能力落后于印度了？

贾阳：首先得祝贺人家，确实是亚洲第一个实现火星的围绕的国家。然则我们这一次去，方案设计或者整个计划就没想要再走这条路了。

吴宝俊：由于印度已经实现围绕了，以是咱们就可以跳过这一步。

贾阳：我们不太想简朴围绕一下了，而是想把难度提高，把一阶段和二阶段两步并作一步走，既实现围绕又要进到大气内里去，落在火星外面然后把我们的车开出来，难度系数是差异的。

苟利军：在着落的历程当，到时刻会不会在空中有好几个小的围绕器跟地面上举行相同，相当于一个中继器呢？

贾阳：等到我们的火星车事情的时刻，一定是需要中继星把探测的数据、图片传到地面上来，然则（降）落火（星）的时刻只有一个围绕器。虽然旁边有美国的围绕器，然则我们至少现在还没有要依赖美国的围绕器给我们传数据来执行这个义务。这次义务照样一个自力自主的计划。

想成为火星探测的筑梦者，该学什么专业？

吴宝俊：有志的年轻人看了这个节目后，希望在未来成为一位火星探测或者其他行星探测的总设计师，他在上大学的时刻应该报考什么样的专业？

贾阳：我以为首先一个观点得把它离开，就是到底想做科学家照样想做工程师。若是想搞科学研究，做出新发现，就得让苟先生来说。

若是想做工程师，许多专业都可以，好比说我自己是学传热的，然后学计算机、电子，或者是机械，需求量都是对照大的。需求量小的，好比说工业设计，设计火星车的时刻，为了把它设计得既知足功效的要求，又知足审美漂亮的需要，我们实际上也是做了响应的工业设计的，这就属于小众一点的需求。

应该说工科的差不多和航天器的工业设计都有关系，典型的学校对照多，包罗北京航空航天大学、北理工、南航、哈工大等等。各个学校最善于的专业又有所差异，这个就不展开了。

吴宝俊：苟先生，您说说要做科学家的话要报考什么专业呢？

苟利军：要说科学，尤其是天文学，我以为相对会对照简朴，由于在海内有对照成熟的响应的专业。比方说中国科学院大学内里就有天文与空间学院，除此之外另有南京大学、北京师范大学、北大、清华等等。很多多少学校内里都有天文的专业。

以是若是你感兴趣，这些学校天文专业都有系统性的学科，而且也有异常好的先生，最终在你自己的起劲之下，我以为一定会到达你的理想和目的的。

作者：SELF格致论道讲坛