2019年11月14日，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸器懸停避障試驗(yàn)在河北懷來(lái)地外天體著陸綜合試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。這也是中國(guó)火星探測(cè)器的首次公開亮相，國(guó)家航天局特意邀請(qǐng)了一些外國(guó)駐華使館及國(guó)際組織人員前來(lái)參觀。

測(cè)試中的火星著陸器

試驗(yàn)成功模擬了著陸器在火星環(huán)境下懸停、避障、緩速下降過程，這也基本意味著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)正在逐步成熟，能夠于2020年擇機(jī)實(shí)施。按照計(jì)劃，我國(guó)將在2020年7月——“火星探測(cè)時(shí)間窗口”進(jìn)行一次發(fā)射任務(wù)，抵達(dá)火星后將實(shí)現(xiàn)“繞”、“著”、“巡”三大任務(wù)，進(jìn)行火星全球性綜合探測(cè)，同時(shí)也會(huì)對(duì)火星表面重點(diǎn)地區(qū)精細(xì)巡視勘查，實(shí)現(xiàn)人類對(duì)鄰居火星研究的又一次重大突破。

中國(guó)人，距離首次觸碰火星，越來(lái)越近了!

Part.1

為什么我們選擇火星？

人類如果想要沖出地球、達(dá)到下一個(gè)行星、甚至沖出太陽(yáng)系，基本只能先從火星和金星兩個(gè)鄰居開始。它們和地球同處太陽(yáng)系內(nèi)的宜居帶內(nèi)、同屬于巖質(zhì)行星、擁有孕育生命的可能性。

然而，人類經(jīng)過航天探索發(fā)現(xiàn)，金星環(huán)境實(shí)在太過惡劣：氣壓是地球的92倍，空氣中幾乎全是二氧化碳，并且布滿了稀硫酸云。地表溫度常年保持在460攝氏度，人類根本無(wú)法生存。

相較而言，火星的條件“優(yōu)越”不少，幾乎是人類航天探索下一站唯一的選擇。

地球和火星尺寸對(duì)比

第一，火星的潛在資源豐富。包括擁有太陽(yáng)系第一大高山(奧林帕斯山)和第一大連續(xù)峽谷(水手號(hào));陸地面積大，火星總表面積雖然僅有地球的28%左右，但需要注意，這可是純陸地，已經(jīng)接近地球上人類生存的七大洲面積總和;火星上大氣雖然稀少，但是以二氧化碳為主，可以作為開發(fā)資源。

第二，多年的科研發(fā)現(xiàn)，火星南北極存在不亞于地球上格陵蘭島的淡水資源，土壤中廣泛存在2-3%的水分。“火星快車”任務(wù)甚至發(fā)現(xiàn)了疑似地下水湖，火星也存在一定有機(jī)物分子。

第三，火星引力較小、距離小行星帶和太陽(yáng)系外圍空間更近，在火星上發(fā)射火箭和深空探測(cè)的總成本大大低于在地球發(fā)射，是人類未來(lái)深空探測(cè)發(fā)展中航天基地的不二之選。

如果人類航天的未來(lái)是宇宙的星辰大海，中國(guó)人沒有任何理由不去探測(cè)火星!

Part.2

抵達(dá)火星有多難？

近半數(shù)火星探測(cè)任務(wù)以失敗告終

早在上世紀(jì)60年代，處在冷戰(zhàn)“太空競(jìng)賽”巔峰狀態(tài)的蘇聯(lián)和美國(guó)便展開了瘋狂的火星探測(cè)競(jìng)賽。但大家很快發(fā)現(xiàn)：抵達(dá)火星實(shí)在太難了!

地球和火星距離變化

首先，火星實(shí)在太遠(yuǎn)了。月球和地球的平均距離為38萬(wàn)千米，對(duì)于人類而言，已經(jīng)是極其遙遠(yuǎn)的存在。但月球圍繞地球運(yùn)動(dòng)且軌道偏心率很小，與地球的距離相對(duì)穩(wěn)定。

而火星距離地球在5000萬(wàn)——4億千米左右，平均距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地月距離，并且這個(gè)范圍變化區(qū)間實(shí)在太大。在地球上，僅需0.13秒就能實(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)的通信，地月之間則需要2.5秒，可是，當(dāng)?shù)厍蚺c火星處于最大距離時(shí)，即便是光速通信也會(huì)有44分鐘的延時(shí)。

Part.3

地火距離和它的變化帶來(lái)了一系列新問題

1、探測(cè)機(jī)會(huì)難得。即便是派出人類最快的探測(cè)器前往火星，也需要老老實(shí)實(shí)等待每隔780天、約26個(gè)月出現(xiàn)的一次地球、火星逼近的機(jī)會(huì)，這就是所謂的“火星探測(cè)窗口”，一旦錯(cuò)過就需要等待兩年多。

2、需要強(qiáng)力火箭。探測(cè)器要實(shí)現(xiàn)環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)，需要擺脫空氣和一部分地球引力影響;如果想要前往更高軌道、甚至前往月球，需要擺脫更多地球引力影響;但如果前往火星，不僅需要完全擺脫地球引力、還需要擺脫太陽(yáng)強(qiáng)大引力影響。這意味著更強(qiáng)大的火箭是探測(cè)火星的先決條件。

一次標(biāo)準(zhǔn)的霍曼轉(zhuǎn)移軌道

3、軌道設(shè)計(jì)復(fù)雜。由于人類火箭依然只能局限于化學(xué)燃料，能力有限。探測(cè)器飛往火星之旅只能選擇一個(gè)叫做“霍曼轉(zhuǎn)移”的方式，一種變換太空船軌道的方法，或它的略微改進(jìn)版方式——“快速合點(diǎn)航線”。但這個(gè)過程耗時(shí)普遍在6-11個(gè)月不等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于地月之間的3天左右。

同時(shí)，這些線路會(huì)受到太陽(yáng)系內(nèi)多個(gè)天體的擾動(dòng)，還有太陽(yáng)風(fēng)、空間輻射等的復(fù)雜影響。此外，火星與地球并不處在同一平面內(nèi)。深空探測(cè)任務(wù)往往“失之毫厘，謬以千里”，軌道設(shè)計(jì)難度可想而知。

4、探測(cè)器必須功能強(qiáng)大。一方面，探測(cè)火星的成本極高，如果只是進(jìn)行簡(jiǎn)單工程驗(yàn)證并不值得，必須搭載各種科學(xué)儀器才能換回相應(yīng)價(jià)值。另一方面，由于距離問題，探測(cè)器的深空通信、自主導(dǎo)航制導(dǎo)控制和自我故障檢測(cè)修復(fù)功能等必須獨(dú)立且強(qiáng)大，這進(jìn)一步推高了成本。

5、抵達(dá)火星很難。探測(cè)器達(dá)到火星附近后，需要被火星引力俘獲。相比較地球而言，火星只是個(gè)小不點(diǎn)，質(zhì)量?jī)H有地球的10.7%，引力影響范圍很小，這要求探測(cè)器必須精準(zhǔn)切入環(huán)繞火星軌道。同時(shí)，必須擁有強(qiáng)大的變軌能力，能完成改變軌道、大幅增加燃料需求。抑或是采取一種“刀尖上舞者”的方案：利用火星稀薄大氣摩擦減速，這個(gè)方案是典型的“玩火”。NASA于1998年發(fā)射的“火星氣候勘探者”號(hào)就不幸在大氣摩擦減速過程中被焚毀。

切入環(huán)繞火星軌道時(shí)不小心“玩火自焚”的“火星氣候勘探者號(hào)”任務(wù)(圖源：NASA)

6、需要復(fù)雜地面設(shè)施?；鹦翘綔y(cè)任務(wù)非常遙遠(yuǎn)，且與地球通信時(shí)間極其寶貴，這要求地球上必須有全天域覆蓋的強(qiáng)大深空通訊網(wǎng)絡(luò)。

因此，綜合下來(lái)探測(cè)火星的難度極大，幾十年來(lái)，火星探測(cè)成功的概率統(tǒng)計(jì)下來(lái)還不足一半。早期的成功率更是慘不忍睹，蘇聯(lián)在1960-1988年間進(jìn)行了近20次探測(cè)任務(wù)，但沒有一次取得完全成功。即便是后來(lái)占據(jù)領(lǐng)先地位的美國(guó)，也是在進(jìn)入21世紀(jì)前后，才迎來(lái)比較穩(wěn)定的成功。

Part.4

降落火星，更是難于上青天

而上述所說的，還僅僅是實(shí)現(xiàn)環(huán)繞火星的難點(diǎn)，要完成降落火星的任務(wù)，還需要克服一系列更復(fù)雜的問題。

1、火星大氣?；鹦莾H擁有極其稀薄的大氣，含量甚至不足地球海平面平均密度的1%，但它卻成為讓科學(xué)家又愛又恨的存在。

愛在于：雖然大氣稀薄，但不像月球一樣近乎真空，科學(xué)家可以利用它產(chǎn)生的摩擦力對(duì)探測(cè)器進(jìn)行減速。

恨在于：它依然可以產(chǎn)生非常多的熱量，高達(dá)2000攝氏度。但它的密度又不足以讓探測(cè)器完全減速，到最后還是需要反沖火箭發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作以實(shí)現(xiàn)懸停、避障、降落，也就是中國(guó)本次試驗(yàn)的核心技術(shù)。

本次試驗(yàn)探測(cè)器在火星低重力環(huán)境下懸停

因而，一個(gè)火星著陸器既需要隔熱罩隔絕熱量，還需要配備減速、降落傘進(jìn)一步減速，同時(shí)也要反沖發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作，幾乎湊齊了人類現(xiàn)有的降落技術(shù)，整體設(shè)計(jì)難度陡增。

2、能量來(lái)源?；鹦蔷嚯x太陽(yáng)更遠(yuǎn)，火星能接觸的太陽(yáng)能僅是地球的44%左右。由于長(zhǎng)期風(fēng)化，火星上沙塵非常細(xì)密，缺乏溫室效應(yīng)又導(dǎo)致火星不同區(qū)域氣壓差很大，進(jìn)一步導(dǎo)致存在很強(qiáng)力的風(fēng)，使得火星上經(jīng)常出現(xiàn)沙塵暴，這也是導(dǎo)致去年“機(jī)遇號(hào)”火星車失聯(lián)的直接原因。因而，火星著陸器要么選擇太陽(yáng)能，但要面對(duì)能量低、風(fēng)險(xiǎn)高的困難;要么選擇極其昂貴的核電池，且由于火星夜晚過于寒冷，必須攜帶熱源保溫。

3、通信問題。受限于著陸過程帶來(lái)的巨大成本和能量問題，地面著陸器不可能攜帶強(qiáng)有力、大功率的通信天線，也基本不可能直接與地球聯(lián)系，這意味著它和地球之間還必須有一個(gè)“烽火臺(tái)”進(jìn)行“傳話”，要求必須在環(huán)繞火星軌道準(zhǔn)備一個(gè)軌道器轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。

4、自主導(dǎo)航。標(biāo)準(zhǔn)的火星著陸過程持續(xù)時(shí)間僅7分鐘左右，這甚至不足以完成一次地火通訊，這意味著全程超過1000個(gè)動(dòng)作的降落過程必須依靠探測(cè)器自主完成，對(duì)軟件和硬件的要求極高。

好奇號(hào)火星車降落火星過程自主完成了超過1000個(gè)動(dòng)作(圖源：NASA)

5、科研問題。定點(diǎn)著陸器有一個(gè)顯而易見的缺點(diǎn)：不能動(dòng)。因而，能夠移動(dòng)的火星車毫無(wú)疑問能大大豐富火星著陸任務(wù)的探測(cè)范圍和科研產(chǎn)出。但火星車實(shí)現(xiàn)自身著陸難度非常難、成本過高，需要根據(jù)任務(wù)目標(biāo)和預(yù)算綜合考量。

因而，降落火星的難度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“上九天攬?jiān)?rdquo;。

Part.5

中國(guó)做了哪些準(zhǔn)備？

相信讀到這里，大家一定已經(jīng)充分理解了探測(cè)火星是一件多么困難的任務(wù)，一旦成功又將是多么偉大的成就，尤其是火星著陸任務(wù)。在大家看到11月14日這條新聞前，航天人已經(jīng)為之做了無(wú)數(shù)的努力。

1、火箭方面：2015年，最強(qiáng)火箭長(zhǎng)征五號(hào)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)突破，目前正整裝待發(fā);

2、軌道設(shè)計(jì)方面：2012年，嫦娥二號(hào)探測(cè)器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)過飛越日地拉格朗日點(diǎn)(指衛(wèi)星受太陽(yáng)、地球兩大天體引力作用，能保持相對(duì)靜止的點(diǎn))、飛越圖塔蒂斯小行星和進(jìn)入深空7000萬(wàn)千米的壯舉;

3、著陸技術(shù)方面：在有大氣情況下著陸，已經(jīng)有了神舟1-11號(hào)飛船驗(yàn)證;在無(wú)/稀薄大氣情況著陸，已經(jīng)有了嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)任務(wù);

4、深空通信地球方面：深空通訊網(wǎng)已經(jīng)初步建成，還有萬(wàn)噸級(jí)遠(yuǎn)望號(hào)航天測(cè)量船輔助;

5、深空通信中繼方面：2018年中國(guó)發(fā)射了人類唯一的地月通信中繼衛(wèi)星“鵲橋號(hào)”;

6、火星車方面：中國(guó)已有了玉兔號(hào)和玉兔二號(hào)月球車，其中玉兔二號(hào)已經(jīng)工作近1年;

等等。

中國(guó)2020年火星探測(cè)器組合體概念圖

在這些周密的準(zhǔn)備下，2020年中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)終于迎來(lái)了目前的核心測(cè)試。按照計(jì)劃，它將在2020年7-8月的火星探測(cè)窗口從新建的海南文昌火箭發(fā)射基地乘坐長(zhǎng)征五號(hào)，出發(fā)前往火星，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“繞”、“著”、“巡”三步驟的任務(wù)。

1、軌道器主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)整體切入環(huán)繞火星軌道，進(jìn)行全球勘探科研。用來(lái)研究火星全球磁場(chǎng)、表層元素、大氣和中性粒子、全球地貌(高程)等，同時(shí)作為地面著陸系統(tǒng)的通信中繼系統(tǒng)。

中國(guó)火星探測(cè)著陸器和火星車組合方案

2、著陸器主要負(fù)責(zé)軟著陸過程

，降落在火星表面，同時(shí)分析著陸點(diǎn)附近的情況，另一主要目標(biāo)是釋放火星車。

中國(guó)火星車概念圖

3、巡視器/火星車：

包括，火星車底部裝有地表穿透雷達(dá)，可以研究火星土壤深處的元素分布情況。磁場(chǎng)感應(yīng)設(shè)備，可以確認(rèn)著陸和巡視區(qū)域的地表磁場(chǎng)情況。此外，重頭戲?qū)⑹茄芯垦惨晠^(qū)域的土壤和巖石主要成分，查看常規(guī)的水、元素構(gòu)成，同時(shí)，有機(jī)物也是一個(gè)需要搜尋的目標(biāo)。作為一個(gè)整體的系統(tǒng)，火星車也會(huì)攜帶有導(dǎo)航、避障設(shè)別、微距相機(jī)等，為我們帶來(lái)更多火星表面的細(xì)節(jié)。通訊設(shè)備、太陽(yáng)能電池板、電池也是基本組成。

從整體組成來(lái)看，中國(guó)這一套組合有一定必要性，尤其是軌道器和著陸器的配合。此前中國(guó)已經(jīng)有了“鵲橋號(hào)+嫦娥四號(hào)+玉兔二號(hào)”在月球?qū)嵺`過的工程經(jīng)驗(yàn)，這套裝備也有足夠的工程可行性。然而，將它們?nèi)诤锨仪巴鹦?，也意味著難度會(huì)很大，如果順利實(shí)現(xiàn)，我們將創(chuàng)造人類火星探測(cè)史的新高度。就像嫦娥四號(hào)和玉兔二號(hào)是人類首次著陸月球背后的壯舉一樣，中國(guó)火星探測(cè)或許將再一次令世人驚嘆。

踏上火星，距離人類成為可跨越行星生存的物種將又進(jìn)一步。我們期待這一天的到來(lái)!

關(guān)鍵詞： 火星探測(cè)