火星探測知多少

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。根據計劃，我國將在2020年7月發射火星探測器，開展火星全球性和綜合性探測。火星的探測將實行軌道器加火星車的聯合探測方式，預計經過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“落”。而中國計劃在首次的火星探測任務中，挑戰性地一次完成“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整裝待發。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，美國計劃發射新型火星探測車，歐空局計劃發射ExoMars火星車，印度、阿聯酋也計劃 2020年向火星發送探測器。

人類為什么要探測火星

神秘的火星一直吸引著人類關注的目光，自從航天時代開始以來，世界各國已經向火星發射了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，意大利天文學家斯基帕雷用望遠鏡發現火星上有許多細長的暗線和暗區，有人認為暗線就是運河，暗區就成了“湖泊”。有運河就有智慧生命的大規模活動。于是，一個多世紀以來，有關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，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，金星上的環境條件過于嚴酷，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.科學探索的需要

根據科學家的研究，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

火星距離地球比較近，方便探索，在工程上也更易實現。探測器只飛行7～10個月，就可從地球到達火星，基于人類現有的航天能力，任務周期比較合適。其他一些星球雖然也有生命的可能性，但距離地球太遠，實現探測有困難。例如，航天器對木衛二的探測表明，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，才能實現這一過程，這樣的時機被稱為“發射窗口”。 這是因為地球和火星都是在自己的軌道上運行，當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，這是發射火星探測器最適宜的時候。在這個時間窗口發射火星探測器，不僅對運載火箭來說是最省能量的，同時，發射宇宙探測器的有效載荷也會相應增多。這種特定的時機和位置不是經常有的，每隔26個月才出現一次。2020年就將迎來一個窗口期，大約1個月。如果錯過這一次發射窗口，就必須再等26個月才能進行下次發射。

火星探測的主要任務是什么

火星探測的主要任務是：

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

2.對火星本體的科學研究，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境科學，火星地形地貌特征與分區，火星表面物質組成與分布，地質特征與構造，火星內部結構、成分、內稟磁場探測等。

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，為人類社會的持續發展服務。

以上是所有火星探測的總任務，具體到每次探測，有自己的具體任務。

首次登陸火星難度何在

據有關報道，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。在進行探月任務時，嫦娥一號、二號實施繞月，嫦娥三號才實現軟著陸，在前面發射成功的基礎上，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，讓火星探測器精準著陸，相當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。現在，我們已經有長征五號火箭，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的措施和技術，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鍵時間，只能依靠研究人員提前輸入的數據，由探測器進行自主判斷，這增加了火星探測任務的難度。

探測火星時最危險的環節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……每個環節都不容有失，都需要精準計算。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，中國已做了大量準備工作 。首先，發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，我國已經建成深空測控站，并在嫦娥二號拓展任務中實現了超過1億千米的測控；再次，探月取得的成功，為中國在著陸、巡視技術等領域奠定了基礎。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中最令人擔心的階段，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鍵的，如果選擇不當，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，并在著陸前數秒鐘打開24個巨大的保護氣囊。當探測著陸器（或火星車）在火星降落，在密封氣囊的保護下，經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，最終穩穩落在火星表面。此著陸方式復雜、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計了一套復雜的著陸程序，首次使用一種被稱作“太空起重機”的輔助設備助降：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。“太空起重機”和好奇號組合體，在經過大氣摩擦減速和降落傘減速后，“太空起重機”開啟8臺反沖推進發動機，進入有動力的緩慢下降階段。當反沖推進發動機將“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。此方式最復雜，成本最高，技術最先進，可滿足重量更大的探測器軟著陸要求，能精確著陸。