几位朋友会面，餐桌上聊到读中学时学英语的情形。有位朋友说一些英语单词学了自己就从来没有用过，也几乎没有看到别人用过，比如fetch。先比较几个近义词，bring 表示从别处把某人（物）带来或拿来，take则指把某人（物）带走或拿到别处，carry 指随身携带。fetch 是go and bring的意思，但大多时候却用get来代替了，慢慢地fetch成了一个生僻词，虽然大多学过英语的人都知道其用法。

不过，今天我们要真正学习一下fetch的用法了，那就是从月球或者火星采集土壤和岩石样品带回地球，用FETCH最恰当不过了（我将这个单词拆分为From Earth ... To Carry Home，指“从地球出发在火星采集样品带回家”）。

美国国家航空航天局（NASA）以2011年发射升空的“好奇号”（Curiosity）火星探测器为起点，开始了其火星科学实验室（Mars Science Laboratory）计划，用于探索火星历史上是否存在适宜生命生存的环境，而且还将对这颗红色行星的气候及地质情况进行评估，为人类探索任务做准备。更宏大的野心是，NASA计划到2030年代中期，将宇航员运送至火星轨道。

虽然科学家们也在地球上得到了来自火星的陨石，但这些陨石在通过大气层时被炽热高温所处理，对于分析生命痕迹来说几乎没有什么用，或者说得到的证据不真切，因此科学家们一直梦寐以求希望亲自分析火星岩石来寻找火星过去的生命迹象，但可惜至今尚未能够直接fetch（取回）过样品。如果有宇航员亲临火星，fetch火星土壤当然不成问题。但是，从人类探索月球的历程所获得的认识，使得NASA不再采用这种最为费力的方式。话说1969年7月24日美国“阿波罗11号”的航天员可是经历千辛万苦将月壤及岩石样品fetch到地球，全球为之欢呼；而1970年9月12日前苏联发射了“月球16号”无人探测器，用较小的代价就fetch了月壤标本，在全世界更是引起轰动。2017年，中国的嫦娥五号也计划采用这种方式fetch月壤进行研究。美国国家航空航天局（NASA）希望能将首批火星土壤和岩石样品fetch回来，这个过程将于2020年开始。如果能从火星fetch样本，对火星的研究就更进了一步，可能会改变了一切。

但是，不管从何种角度来看，从火星fetch，与从月球fetch相比，可不是简单的增加空际旅行距离问题，更重要的是一些技术瓶颈尚未解决^[1]。

与月球相比，火星有大气层，火星的重力加速度是月球的两倍多，因此在火星上着陆难度比月球要大得多。1997年7月4日，美国的“火星探路者”藉由密封气囊的保护在火星上成功降落，并开始了探索任务。随后的“勇气号”和“机遇号”也都是采取类似的将来方式。但是，2011年发射的好奇号，其个头几乎与一辆小汽车相当，质量约900千克，是机遇号和勇气号的5倍多，长度约为它们的两倍。以核燃料钚提供动力的好奇号所携带的探测设备更多、更先进，在火星表面的连续行驶能力也更强。因此，如果好奇号再采用这种弹跳方式着陆，实在是过于沉重了。首先，由于发射器体积的限制，无法依葫芦画瓢发射一个足以能保护好奇号的巨型着陆器；其次，目前还无法制造出一个安全气囊能抵御好奇号着陆时的强大冲击力。于是，喷气推进实验室的工程师们设计了一种名为“空中吊车”（sky crane）的解决方案：着陆时，一台装有火箭发动机的空中吊车将利用绳索悬置好奇号，使其直接降落到火星表面。在进入火星大气层之后，随着速度的降低，一系列的降落程序逐渐展开。 最后，随着由火箭驱动的吊车将好奇号缓缓放置于火星表面，整个降落程序随之结束。而2020年发射的这个新探测器将准备在好奇号的“空中吊车”装置上进行改造，让推进器制导探测器精确着陆（图1）^[2]。

图1  “空中吊车”向火星表面投放重型科学仪器的全新方式

仅仅在火星上着陆就如此麻烦，可想而知要在火星制作一个用于返回地球的发射装置，其难度就增加不是一点点，因此必须安排多个发射任务。而且这有些设施还能自动完成对接，因此回程的难度是目前最大的技术难题。另外，宇宙飞船中，液体燃料占了大部分重量，必须往返携带。这些燃料必须在进入地球大气层之前用完（如何精确估算这些燃料？），否则就可能在重返大气层时受热而发生爆炸，我们可不希望有几吨重的有毒物质从天而降。俄罗斯宇航局说可以采用冷冻的肼和四氧化二氮燃料来减少这些风险^[1]。

如今，美国国家航空航天局（NASA）的好奇号火星探测器好奇号正处于其生命的黄金时刻，已经用它探测了火星的岩石、土壤和空气。而NASA研究其继任者的计划已经开始，这一次科学风险更高一些。该计划将要建造一个与好奇号几乎相同的机器，但是装备新的仪器用于探测火星地表。虽然NASA尚未敲定细节，但已经可以感觉出这下一代探测器将是一个前所未有的重要工作：为未来可返回地球的宇宙飞船收集和储存火星岩石与土壤，这将是有史以来第一次从火星取回样本。科学家认为，火星探索的下一个20年取决于这个探测器，它将有助于告诉我们火星更广泛历史的基本情况^[3]。

NASA计划取回火星样本将涉及到一系列任务。按照设计，首先，是火星样品采集任务（Sample-caching mission），发射一个携带探测器的着陆装置到火星，收集和存储约30个岩石和土壤圆柱体。其次，是样品获取任务（Sample-fetching mission），发射一个独立的探测器和一个火星升空飞船（Mars ascent vehicle，MAV），探测器负责拾起这些样本带回飞船，飞船发射进入轨道。最后，是样品返回任务（Sample-return mission），通过一个航天飞船捕获轨道上的样本并返回地球。因此，这包括包括着陆器，火星升空飞船，火星探测车，轨道器上的样品容器捕获系统及地球再入系统等多个装置。其中，只有第一个任务大致确定了时间表（图2）^[3]。

图2 NASA计划fetch火星样本的三个步骤

这个新的探测器落在火星的什么位置进行采样呢？一部分科学家希望2020年的探测器能访问火星上新的位点，而其他一些人则希望是以前的勇气号（Spirit）或好奇号（Curiosity）曾经造访过的区域。二者显然都有各自的优势，在新的位点着陆会遭遇更多未知东西的风险，但同时也意味着我们对火星可以了解更多。让我们再来看看一些曾经多次作为候选的降落位点。1）马沃斯谷（Mawrth Vallis），在这个区域发现了只有水存在才能形成的层状硅酸盐（黏土），猜测这是一个古代的外流河道，并且发现大量含有浅色黏土矿物的岩石。我们知道在地球上黏土矿物是保护微生物的良好物质，因此火星上的古老生命遗迹最可能在这里找到。欧洲太空总署计划2018年发射的探测器ExoMars也是考虑在这个地方着陆。2）埃伯斯沃德撞击坑（Eberswalde Crater），该撞击坑存在着已经干涸并且被覆盖的三角洲，依其形态看起来是由液态水形成，有一系列的河谷进入三角洲大约 4000 平方公里的“流域”，有可能为富含河流沉积物找到突破口。3）盖尔撞击坑（Gale），这是好奇号的着陆点，这个撞击坑的外貌有着不寻常的特征，大量的碎石环绕着5千米高耸的夏普山。虽然好奇号”对这片早已干涸的湖床底部的沉积物所作的最新分析，暗示火星上存在为数不少的某种有机物，不过目前将此现象归因于火星古代生命还为时过早。

另外，能发现什么新奇的东西，在很大程度上取决于探测器多携带的仪器。好奇号携带的工具，在2014年5月5日钻取了一个名为Windjana的砂岩岩石。这个探测器也已在另外两个位点进行了采样分析，有限的迹象表明盖尔陨石坑存在古代湖床。显然，这次新的发射任务是非常有趣和迷人的，这次任务最重要的不是继续在火星上研究岩石，而是学习能否将那些岩石fetch到地球进行研究^[3]。

参考资料
[1] Russia gets the red planet blues. Nature 20111115, 479, 275–276.
[2] 奇特的着陆方式：“空中吊车”技术（http://www.tansuonet.com/a/hangkong/2014/0124/330.html）
[3] NASA plans Mars sample-return rover. Nature 20140515, 509: 272.

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