在深空探测领域，火星是除月球以外的第二个有重要研究意义的星球。2020年的夏天，无论是欧洲、美国还是中国，都将往火星发射自己的探测器。从整个世界来说，火星探测的成功概率不到50%，而中国的火星探测器，甫一上天，便任重而道远。
火星是太阳系八大行星中第四颗，是一颗类地行星。古时候，中国人一直称火星为荧惑星，意味着莹莹火光，离离乱惑之意。在西方一直用古希腊神话传说中英雄名字命名火星。真实的火星是什么样子的呢？在人造卫星上看，火星上面既有像沙漠、像流过河流的戈壁滩，也有山丘等地貌。火星上的河流是没有液态水的，但是在火星南北极下面有大量冰川地下水。
火星的大小介于地球和月球之间，重量大约是地球的十分之一，体积相当于地球的六分之一。在火星上一年大约相当于地球上两年。火星是我们整个深空探测领域，除月球以外的第二个重要研究的星球。在约45亿年前，宇宙形成的初期，火星和地球是一样的，它的表面也有流水。到了30亿年前左右，地球上出现了光合作用，产生了生命。而火星到后面变成了一个又冷又干的星球。
所以探索火星的气候变化以及地质的演化，对于保护地球，拓展我们人类生存的疆域，有非常重要的意义。
科学家想要看火星的什么？三个方面：生命、气候、地质。我们先要知道，在火星上面是否有过生命的出现，有没有生命的一些痕迹。第二个方面，因为火星上是有大气的，了解火星气候演变的过程以及历史很有意义。另外是研究火星表面和地质演化的过程，可以更好地帮助理解地球的早期演化历史和生命的起源。
火星探测风险是很大的，从整个世界来说，火星探测的成功概率不到50%。我国2020年要发射一颗火星探测器，但实际上在2011年，我们跟随俄罗斯的福布斯-土壤探测器已经搭载过一颗火星探测器，这颗火星探测器是由上海航天八院研制的。很不幸这个发射器升空以后，由于俄罗斯人过早地把计算机系统转入自动的导航模式，结果由于软件有点bug，导致探测器没有脱离地球轨道，变成了地球上的一颗卫星，而且轨道不高。
抢救了几个月以后，这颗卫星最后坠入大气层毁掉了。2020年中国第一次用全新研制的长征五号火箭，要一次实现绕、落、巡这三个目标，难度非常大。目前火星探测以美国为主，美国的海盗1号和海盗2号，在1976年第一次成功进入火星轨道，降落到火星上去。然后是欧盟ESA、日本。我们期盼着，2020年以后中国的火星探测越来越多。从上面的图中可以看到，围绕着水的寻找和可居住性，人类开展了很多研究工作。
最近一次成功在火星上降落的是“洞察号”火星着陆器，它研究火星的磁场和大气是怎样的情况、多久消失的，另外还要进行类地行星的研究。无论是NASA、ESA还是中国，着陆器或者火星车，其实都是要研究可居住性和生命的痕迹。目前我们已经知道，火星上肯定是有水的，但是水不在表面，在火星表面的下层。这点在目前科学研究成果中是百分之百确定的，因为在火星上既发现了水流的痕迹，还测到氢的元素。
第二个是可居住性，火星上二氧化碳、水这两个元素比月球环境要好很多。第三个方面是火星过去到底有没有生命存在，这个研究做得比较少。我们要去火星的探险和月球的探险有很大的区别。第一，火星距离我们很远，最远时候超过4亿公里，近的时候约是5500万公里，我们一般选择在大约8000万公里的距离发射探测器。第二个是温度，火星到了晚上会非常冷，达到零下143摄氏度，白天最热的地方在赤道附近，也就是35摄氏度左右。
另外，火星的大气非常稀薄，而且还有沙尘暴。因此我们要找一个距离合适的时间。不是每时每刻飞去火星都是适合的，每隔26个月才有一个火星发射窗口。2020年的夏天，无论是欧洲、美国还是中国，都将往火星发射自己的探测器。旅途也是漫长的，飞到火星要花7个月的时间，而从地球去月球只需要9天。另外，在火星上信号传输的速率是很低的，要花10多分钟才能把一个信号传输回来，低传输效率限制了科学的探索。
落到火星上以后，火星车又面临三个挑战。第一是沙尘暴，沙尘暴来了以后，火星车必须要把自己保护好，否则整个仪器会被掩盖掉。而且沙尘暴来了以后，太阳能帆板上面的沙尘会降低能源的转化效率。第二是光照问题，因为火星离太阳很远，在火星上接收到的太阳光能量只有月球表面的40%。我们国家的月球车是两块帆板，但是我们的火星车要由四块帆板构成的，这样能量才能保持大致相当。
第三是火星上的重力，月球的重力只有地球的六分之一，但是火星重力没有那么小，在火星上面要跑同样重量的火星车，需要的能量也比月球上要高。这三个问题给火星车的应用带来了一些新的问题。
我们要去火星上的一个地方，首先要选择着陆点，这是非常重要的。从工程上来说，着陆点既不能是孤岛，又不能是陡坡，还不能是非常软的地方，不能让火星车下去就无出路、倾倒、或陷进去。另外，因为火星上有高山、峡谷，不能进去以后把太阳挡住了，没有光照就没有能源。而且还要考虑到通讯，从科学家的角度，非常希望去的位置有很好的科学研究价值。
下图是美国NASA七次火星探测的着陆点，大家可以看到2020年中国预定着陆区是在这两个地方（红色标记），为什么要选两个预定着陆区？因为火星上有不确定的大气流和风暴，我们要根据实际情况来进行降落。着陆过程是最惊心动魄的。
我们中国月球探测30分钟叫“黑色30分钟”，在火星上有“恐怖7分钟”，目前在国际上有三种降落方式，一个叫气囊式，“勇气号”、“机遇号”都采取了这种方式——一个气囊下来以后弹跳，最后用不倒翁的原理打开，保证火星车从里面出来。第二种方式是支架式，相当于有四条腿，像一张桌子一个板凳一样下去，当然先是降落伞，因为有大气所以都要用降落伞，区别在于靠近火星表面的时候。
第三种是起重机天抓式，由于火星表面的各种坑、石头特别多，支架式落在石头上会翻身，那车就要翻掉了，所以采取了一种像直升机一样，可以把火星车放下来，上面的着陆器平移，来找一块相对平坦的区域。我们国家的方案是什么？我们把支架式和起重机天抓式相结合。我们的着陆器也是有四条腿，也有降落伞，但是我们四条腿的着陆器自身具有避障的模式，可以自主避障平移。
这项技术是在探月工程里面来做的，探月工程着陆器在100米悬停的时候，可以在250毫秒内对50米×50米的月表区域进行三维拍照，然后找一个平坦的区域平移降落下去。月球背后的情况我们事先并不知道，月球背后陨石撞击坑也非常多，但有了这项技术，不管地形多么复杂，着陆器都可以进行自主避障。2020年中国火星探测计划，就采用了嫦娥奔月的技术，以及载人航天返回大气层的降落伞减速技术。
在火星上跑的时间最长的火星车已经有六年了，就是NASA “机遇号”火星车，它跑了45公里，在遭遇一次巨大的沙尘暴以后，最后宣布它的任务终结。NASA“好奇号”上面搭载了α粒子X-射线光谱议，用激光枪击打物体的表面，做岩石矿物质成分的测量，主要来确定是否有水，是否有适合于生命存在的环境。我们国家的着陆器上面搭载了很多设备，一共有30公斤的有效载荷。
我们课题组研究的是物质成分探测仪，在上面占了16公斤，个头非常大。其他的还有导航相机，气象站等一些测量设备。物质成分探测仪是用来做什么的？它是用激光聚焦石头局部，气化产生等离子体（等离子体是原子里的外层原子摆脱原子核束缚成为自由电子，是一个电离的过程）。等离子体在冷却过程中会辐射出原子光谱，原子光谱代表这个元素的“指纹”。
只要能测到等离子体冷却过程中产生的光谱曲线的位置，就能知道它代表什么元素，信号的强度能够反映元素的含量。这就是激光诱导等离子体光谱技术。元素周期表里面绝大部分元素都能测，一次激发就能同时探测多种元素。除了用激光激发物体元素以外，还有被动的短波红外光谱测量。被动的短波红外光谱测量通过光谱分析进行分子层面的测量，可以测化合物的成分。这个仪器上面有一个二维指向镜，可以摇头摆尾到处看。
我们的月球车上面的光谱仪装在车上动不了，最后是车到哪里只能看哪里，玉兔一号的车轮子坏了停在那里，最后只能永远看一个地方。我们在火星车上面弄一个可以动的镜子，这样哪怕火星车不动了，还可以到处看。这个黑色的里面是一个望远镜系统，里面还有激光器，最后有个定标板。跟美国相比我们少了一个拉曼测量的功能。
火星探测是由环绕器与火星车相结合，我们要进行星地的联动探测。也就是说在环绕器上还要再装一个光谱议，和火星车上的主被动结合，两个进行比对测量。我们在环绕器上装了一个火星矿物光谱分析仪，是一台推帚式的分子光谱探测设备。这个光谱探测设备能够提供多个波段的光谱信息，还有一个图像信息。光谱测量能发现什么？我们以嫦娥四号为例说明。假如说月球是个白煮蛋的话，蛋白里到底装了什么？
实际上大型的固态天体都存在这样的问题。科学家假设月幔和地幔是一样的，那么里面应该有橄榄石存在。嫦娥四号的着陆点非常巧，首先我们选择了一个艾特肯盆地，这是最古老的撞击盆地之一，同时落的那个地方冯·卡门撞击坑是个二次撞击坑，所以它有机会通过陨石的撞击，把月幔里深层的物质抛射到月球的表面。
也非常巧，玉兔二号正好降落到了这个区域，通过对两个探测点土壤的光谱探测，获得的数据显示嫦娥四号着陆区的月壤物质中，橄榄石相对含量是最高的，低钙辉石次之。我们在实际数据采集上面第一次证明了科学家的预测。我国在2020年前已经通过嫦娥一号到嫦娥四号以及今年的嫦娥五号的发射，将实现对月球的“绕”、“落”、“回”第一个三部曲。在2020年以后2030年前，我们国家将要进行月球南极极区资源的开发利用。
上个月特朗普给美国NASA增加16亿重返月球的经费需求，在2024年前美国要重返月球，并且把第一个女宇航员送到月球的南极极区。为什么要去极区？在月球的极区，由于是永久阴影区，外来陨石带来的水都储存在那里，没有挥发掉，是固态水，所以大家都想到极区建一个永久的实验站，在那里能够支持我们的基本物质需求。
我们国家在2030年前要实施月球极区资源开发利用实验，中间要有好几个实验，我们要去探测月球南极，然后再降到月球南极，再把无人的装备装上去。在2030年之前主要还是进行无人的科学考察，但是在后期会考虑有人的实验。第二条线就是在深空探测。我们不能只关心月球，月球离地球太近了，火星是最适合改造成人类居住的星球，所以我们在2030年前还有两次火星的探测任务，还要把火星的样本从火星带回地球。
还有一个就是小行星，小行星带是阻碍地球冲出太阳系的障碍，但是小行星带富含资源。打个比方，铂金是非常贵重的，但是科学家经过远距离天文观测，认定有个别小行星全是铂金，如果全是铂金的小行星被拖回地球的话，可能咱们的戒指都不值钱了。而且有的小行星还富含水，所以小行星探测、采样是目前深空探测的热点。日本在这方面做的比较好。我们国家在2030年前应该有一次小行星的探测计划。
另外我们有个梦想，就是要飞出太阳系，我们要进行一次木星穿越。《流浪地球》里面把木星炸了，我们在炸之前先要看一看，穿越木星看看太阳系的边缘。这个是我们国家在2030年前的三个重要的深空探测计划。我们中国人在航天技术方面，是个后起者，从1970年发射“东方红一号”到现在，只有短短的50多年。但是近些年随着深空探测整个计划的发展，我们中国人走向宇宙的号角也越来越响了。
我想人类探索未知的愿望，有非常大的激情。宇宙到底是怎么起源，怎么消亡的，我想无论结果如何，人类的勇气和坚毅都将被镌刻在星空下。