沈羨云

2019年11月，國家航天局首次公開了我國火星探測任務(wù)。根據(jù)計劃，我國將在2020年7月發(fā)射火星探測器，開展火星全球性和綜合性探測?；鹦堑奶綔y將實行軌道器加火星車的聯(lián)合探測方式，預(yù)計經(jīng)過10個月飛行，探測囂將于2021年到達火星，并進行巡視探測。2028年左右將進行第二次火星探測，并在采集火星土壤后返回地球。

此前，只有美國在一次火星任務(wù)中同時完成“繞”和“落”，歐洲曾兩次嘗試“繞”和“落”，最終都沒有成功實現(xiàn)“落”。而中國計劃在首次的火星探測任務(wù)中，挑戰(zhàn)性地一次完成“繞”（對火星全貌進行觀測）、“落”（在火星降落）、“巡”（在火星上巡視探測），其難度是非常大的，在航天史上也是史無前例的。

2020年，全球多個火星探測器已經(jīng)整裝待發(fā)。今年可能是史上最密集的火星探測期，已有5個國家宣布了“探火計劃”。除中國外，美國計劃發(fā)射新型火星探測車，歐空局計劃發(fā)射ExoMars火星車，印度、阿聯(lián)酋也計劃 2020年向火星發(fā)送探測器。

人類為什么要探測火星

神秘的火星一直吸引著人類關(guān)注的目光，自從航天時代開始以來，世界各國已經(jīng)向火星發(fā)射了40多顆探測器。人類為什么要探測火星？主要有以下幾個原因：

1.求知欲是人類的本性

好奇心和求知欲是人類的寶貴本性，人類渴望更深刻地揭示大自然的奧秘。人類的這種欲望將永無止境。1877年，意大利天文學(xué)家斯基帕雷用望遠鏡發(fā)現(xiàn)火星上有許多細長的暗線和暗區(qū)，有人認(rèn)為暗線就是運河，暗區(qū)就成了“湖泊”。有運河就有智慧生命的大規(guī)?；顒?。于是，一個多世紀(jì)以來，有關(guān)這顆紅色星球上的火星人和火星生命的傳說、猜測和探測不斷出現(xiàn)，吸引著人們不斷對它探索。

2.火星在許多方面與地球相似

在太陽系中，金星和火星是地球的近鄰。但是，金星上的環(huán)境條件過于嚴(yán)酷，表面溫度超過450℃，異常濃密的大氣中充盈著硫酸液滴，探測器都無法在上面生存，探測和開發(fā)的難度很大。而被人們稱為“袖珍地球”的火星，在許多地方與地球十分相似：火星自轉(zhuǎn)一周是24.66小時，晝夜只比地球上的一天多40分鐘；火星自轉(zhuǎn)傾斜角也和地球相近，所以火星上也有春夏秋冬四季的氣候變化；火星上還有大氣層。因此，火星有望成為繼月球之后人類的又一塊新大陸。

3.科學(xué)探索的需要

根據(jù)科學(xué)家的研究，太陽系的八大行星中，只有火星有可能存在生命信息，因為火星有許多與地球相似之處。

研究火星的另一個目的是研究火星是如何形成、演化的。因此，研究火星同時也能加深我們對于地球和太陽系起源和演化的認(rèn)識，這是一個值得永遠探索的基本問題。同時，大約40億年以前，火星與地球氣候相似，也有河流、湖泊甚至可能還有海洋，未知的原因使得火星變成今天這個模樣。探索火星氣候變化的原因，對保護地球的氣候條件具有重大意義。同時，火星上也有一個臭氧層空洞，研究火星有助于了解地球臭氧層空洞消失對地球的影響。

4火星探測可實現(xiàn)

火星距離地球比較近，方便探索，在工程上也更易實現(xiàn)。探測器只飛行7～10個月，就可從地球到達火星，基于人類現(xiàn)有的航天能力，任務(wù)周期比較合適。其他一些星球雖然也有生命的可能性，但距離地球太遠，實現(xiàn)探測有困難。例如，航天器對木衛(wèi)二的探測表明，它的外殼冰層下可能有海洋，有了海洋就意味著其中可能有生命存在。但是，要實施一項遠赴木衛(wèi)二展開考察的項目，光是將探測器送達目的地就需要耗費6年時間，而相比之下好奇號火星車的單程路程僅需要7～10個月。同時，進行火星探測所花費的金額相對較少。例如，與其他太空項目上花費的金錢相比，美國在火星探測項目上只花了很小的一部分。

中國為什么要選擇2020年探測火星

登陸火星并不是一件容易的事，地球和火星最近時，也有5600萬千米的距離，是我們和月亮距離的140倍，想要靠火箭的動力突破這一距離，目前是不可能的。因此，我們需要借助地球的公轉(zhuǎn)速度，沿著一條連接地球與火星的橢圓形軌道，把探測器“甩”到火星，不過，需要合適的時機，才能實現(xiàn)這一過程，這樣的時機被稱為“發(fā)射窗口”。 這是因為地球和火星都是在自己的軌道上運行，當(dāng)火星探測器離開地球軌道時，是沿著一條以太陽為焦點、近日點在地球軌道上、遠日點在火星軌道上的橢圓航線飛往火星。只有當(dāng)探測器到達遠日點與火星軌道相切時，火星也正好運行到那里，探測器才能與火星交會，這是發(fā)射火星探測器最適宜的時候。在這個時間窗口發(fā)射火星探測器，不僅對運載火箭來說是最省能量的，同時，發(fā)射宇宙探測器的有效載荷也會相應(yīng)增多。這種特定的時機和位置不是經(jīng)常有的，每隔26個月才出現(xiàn)一次。2020年就將迎來一個窗口期，大約1個月。如果錯過這一次發(fā)射窗口，就必須再等26個月才能進行下次發(fā)射。

火星探測的主要任務(wù)是什么

火星探測的主要任務(wù)是：

1.探測火星上的生命活動信息，包括火星上現(xiàn)在生命的信息、過去是否存在過生命、火星生命生存的條件和環(huán)境等。關(guān)于火星的種種遐想，總是被殘酷的現(xiàn)實所取代，然而，還是有很多神奇的現(xiàn)象，等待更精確的解讀。

2.對火星本體的科學(xué)研究，為研究火星積累資料，主要包括火星磁層、電離層與大氣層的探測與環(huán)境科學(xué)，火星地形地貌特征與分區(qū)，火星表面物質(zhì)組成與分布，地質(zhì)特征與構(gòu)造，火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成分、內(nèi)稟磁場探測等。

3. 探討火星的長期改造與今后大量移民、建立人類第二個棲息地的前景，為人類社會的持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

以上是所有火星探測的總?cè)蝿?wù)，具體到每次探測，有自己的具體任務(wù)。

首次登陸火星難度何在

據(jù)有關(guān)報道，至今全球火星探測成功率大約為40%，火星因此有“航天器墳場”之稱。那么登陸火星難度何在？

火星探測與月球探測最大的不同在于距離的懸殊。地月平均距離為38萬千米，而地火最近距離為5500萬千米，最遠為三四億千米。在進行探月任務(wù)時，嫦娥一號、二號實施繞月，嫦娥三號才實現(xiàn)軟著陸，在前面發(fā)射成功的基礎(chǔ)上，進行登月成功的可能性就大。但是，我國的首次火星探測則將一次性走完“繞”“落”“巡”三步，對科技人員的測控能力有極高的要求。有人比喻，讓火星探測器精準(zhǔn)著陸，相當(dāng)于從巴黎擊出一只高爾夫球，落在東京的一個洞里。

首先要解決運載火箭的難題，要讓探測器脫離地球引力必須達到第二宇宙速度11.2千米/秒，這樣才能確保探測器不奔向其他天體。而中國運載“嫦娥”火箭的速度只有10.9千米/秒?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)有長征五號火箭，它為我國的火星探測提供最基本的條件。

其次是探測信號問題。探測器的信號對地面指揮尤其重要，沒有信號就無法判斷探測器是否進入軌道，也無法對探測器飛行做出調(diào)整。一旦捕獲探測器的信號，就像聽到新生嬰兒落地的啼哭聲一樣。火星距離地球特別遙遠，由于距離越遠信號越弱，同時地球至火星的距離還帶來至少10分鐘的信號延時，在這種情況下，對它進行控制，就要采取一系列不同于以往任務(wù)的措施和技術(shù)，使它能夠在火星表面完成既定的工作，同時要保證巡視器的安全。探測器進入火星軌道和著陸的那段關(guān)鍵時間，只能依靠研究人員提前輸入的數(shù)據(jù)，由探測器進行自主判斷，這增加了火星探測任務(wù)的難度。

探測火星時最危險的環(huán)節(jié)在于進入火星軌道和著陸兩個階段。什么時候“剎車”進入火星軌道、進入軌道的角度是多少，何時打開降落傘、何時切斷降落傘，采用什么方式著陸……每個環(huán)節(jié)都不容有失，都需要精準(zhǔn)計算。因此航天器著陸的7分鐘被稱為“恐怖7分鐘”。

面對“火星探測”的種種難度，中國已做了大量準(zhǔn)備工作 。首先，發(fā)射火星探測器需要大推力運載火箭，我國長征五號火箭已具備這樣的能力；其次，針對超遠距離的測控，我國已經(jīng)建成深空測控站，并在嫦娥二號拓展任務(wù)中實現(xiàn)了超過1億千米的測控；再次，探月取得的成功，為中國在著陸、巡視技術(shù)等領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。中國火星探測起步晚，但起點高，故效率也會比較高。所以，盡管很難，還是有信心的。

采用什么方法登陸火星

探測器穿過火星大氣層降落到火星地面是任務(wù)中最令人擔(dān)心的階段，在通過火星大氣層的短短7分鐘時間里，要使探測器從2萬千米每小時的高速和高熱下變成零速度是一件很不容易的事情。為了安全到達火星，火星探測器著陸方式的選擇是十分關(guān)鍵的，如果選擇不當(dāng)，前期的一切努力將化為灰燼。目前，探測器在火星的軟著陸方式主要有3種：

一是氣囊彈跳式

獵兔犬2號、海盜號（海盜1號和2號）、火星探路者號、火星漫游者（勇氣號火星車、機遇號火星車）采用氣囊彈跳式著陸方式：火星探測著陸器（或火星車）與軌道器分離后，進入火星大氣層，打開降落傘，由降落傘帶著以88.5千米每小時的速度飄向火星表面，并在著陸前數(shù)秒鐘打開24個巨大的保護氣囊。當(dāng)探測著陸器（或火星車）在火星降落，在密封氣囊的保護下，經(jīng)過一番彈跳翻滾之后，在火星表面停了下來。然后氣袋打開，火星車開動。此方式簡單，成本低，只能滿足重量小的探測器軟著陸要求，而且著陸精度不高。

二是反推著陸腿式

鳳凰號探測器采用此方式著陸：探測器在進入火星大氣層時，依靠與大氣的摩擦和釋放降落傘來一次大減速，時速從2萬千米驟降至8千米，快接近地面時再通過推進器點火制動，進一步減速，最終穩(wěn)穩(wěn)落在火星表面。此著陸方式復(fù)雜、成本高，可滿足重量較大的探測器軟著陸要求，著陸精度較高。

三是太空起重機式

美國國家航空航天局專門為好奇號火星車設(shè)計了一套復(fù)雜的著陸程序，首次使用一種被稱作“太空起重機”的輔助設(shè)備助降：該火星車進入火星的大氣后，將借助一個大降落傘把它的隔熱板及后殼扔掉，以減慢下降速度。然后，再利用被稱作“太空起重機 ”的推進器慢慢下降?！疤掌鹬貦C”和好奇號組合體，在經(jīng)過大氣摩擦減速和降落傘減速后，“太空起重機”開啟8臺反沖推進發(fā)動機，進入有動力的緩慢下降階段。當(dāng)反沖推進發(fā)動機將“太空起重機”和好奇號組合體的速度降至大約0.75米每秒之后，幾根纜繩將好奇號從“太空起重機”中吊出，懸掛在下方。距離地面一定高度時，纜繩會被自動切斷，“太空起重機”隨后在距離好奇號一定安全距離范圍內(nèi)著陸。太空起重機將利用電纜把好奇號放在火星表面，然后它會飛走最后墜毀。此方式最復(fù)雜，成本最高，技術(shù)最先進，可滿足重量更大的探測器軟著陸要求，能精確著陸。