飛奔火星 三步并作一步邁

文／本刊記者 陳 杰

火星是地球的鄰居，但這個鄰居并不算“近鄰”。地球到月球的平均距離為38萬公里，但地球和火星之間的距離最遠達到4億公里。人類火星探測進行了60年，所有探測成功率僅一半左右，難度可想而知。

作為我國首次執行火星探測任務，目標是通過一次發射實現火星環繞、著陸和巡視探測三大任務。中國科學院國家天文臺研究員鄭永春表示，既有軌道器環繞火星，又有著陸器登陸火星，還有火星車巡視火星表面，這種“繞著巡”三合一的探測方式，技術將更復雜，任務難度也更大。

根據計劃，“天問一號”探測器將于2021年2月11—24日環繞火星運行，并于2021年4月23日降落一臺火星車到火星表面，進行時長90天的探索工作。

繞 環繞器切入火星軌道要精準

從理論上看，向火星發射探測器并沒有時間限制，但由于人類的火箭技術約束，發射探測器只能在火星沖日大約數月前發射。

在“天問一號”火星探測器發射升空后，會先在地球附近加速，進入霍曼轉移軌道利用慣性保持飛行，慣性飛行過程中不需要消耗燃料。等到達火星軌道時，探測器會“剎車”降低速度，最終被火星捕獲。這就是本次火星探測任務第一階段的目標：環繞火星飛行。

若想成功進入霍曼轉移軌道，對火箭的運載能力和入軌精度有很高的要求。月球探測器進入地月轉移軌道所需的速度是每秒10.9千米，而火星探測器進入霍曼轉移軌道的速度至少要達到第二宇宙速度每秒11.2千米。

“因此，這次發射任務使用了新一代運載火箭中推力最大的長征五號運載火箭。在成功進入太空后，整流罩中的火星探測器會與火箭‘星箭分離’，獨自飛向火星，這段旅程大概需要6-7個月。”全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩表示，如果一切順利，探測器預計于明年2月左右到達火星引力勢場內，切入火星軌道，被火星捕獲。這個捕獲的階段非常關鍵：在切入火星軌道時，如果切入點離火星太近，探測器可能會墜毀；如果太遠，探測器可能無法被引力捕獲而掠過火星。

若能成功切入火星軌道，再經過多次調整，環繞器就可以進行環繞探測了。

落 恐怖7分鐘考驗著陸器自主能力

在成功切入火星軌道后，“天問一號”將迎來本次火星探測任務的第二個階段，也是最大的難點——火星著陸。火星探測器需要將每秒4.8千米的超高速，減到火星著陸時的0，這個過程只有7分鐘左右。

“火星探測最大的難點是在火星著陸，探測器要經歷入軌、下降與著陸過程，這一過程通常被稱為恐怖7分鐘。”龐之浩表示，在火星稀薄的大氣環境下需要用7分鐘將探測器速度從2萬千米/小時降低到零，這需要包括氣動減速、降落傘減速和反推減速等多種減速手段融合實現，每個環節都必須精準無誤，其難度不亞于“在巴黎打一個高爾夫球要落到東京的一個洞里”。

據悉，“天問一號”任務計劃采用的減速方式將分為四個階段進行。第一個階段是氣動減速段，探測器會踩下“急剎車”，在大約290秒內將速度從每秒4.8千米迅速降低到每秒460米。接下來探測器將打開降落傘，在大約90秒后，速度會降到約每秒95米。隨后進入第三個階段——動力減速段，探測器的反推發動機開始工作，在80秒內將速度降到每秒3.6米以下。當探測器距離火星表面約100米高時，就進入了最后的著陸緩沖段，探測器準備開始懸停避障。此時探測器的速度已經很慢了，探測器會自主觀察火星表面，快速計算出最佳著陸點。最終它將水平移動到該點上方，伸出“四條腿”，并在穩定著陸后展開舷梯釋放火星車。

降落任務的最大優勢是能仔細研究火星表面的各種細節，尤其是對水、氣象、底部大氣、土壤成分、地表地貌、潛在有機物和深層土壤的研究。

火星降落最典型特點是著陸系統需要完全自主導航控制完成著陸之旅。標準的火星著陸過程持續時間僅7分鐘左右，遠不夠完成一次地火通訊，這意味著全程多個復雜的動作必須依靠著陸器自主完成，對軟件和硬件的要求極高。

巡 惡劣環境挑戰火星車生存能力

如果探測器著陸一切順利，接下來的火星探測工作就要看巡視器了。

巡視器又名火星車，它相比不能移動的著陸器而言，最大優勢在于可以隨處移動，意義不言而喻。由于不帶有固定著陸器必須攜帶的推進劑儲罐、著陸腿、支撐結構、控制機構等復雜部分，巡視器可以集中于科研載荷，從事多地點多方面的精細研究。

當然，巡視器想要順利開展工作也并非易事。“火星上的沙塵暴很大，是地球上12級臺風造成影響的6倍，這些飛沙會覆蓋火星車的太陽能電池板，致使其無法正常工作。歷史上，美國第一代和第二代火星車都是受沙塵暴影響而停止工作的。”龐之浩表示，這就需要充分提高能源的利用率，包括高效太陽能電池技術及高效蓄電池技術，提高能源系統功率質量比，如太陽能電池板盡量要大一些，光電轉換效率要更高。

除此之外，火星車的移動也面臨許多不確知的環境影響，主要表現在我們對火星表面構造的力學特性還知之甚少，這些特性直接跟火星車的移動能力相關；火星表面石塊分布密集，自主行駛的火星車被石塊卡滯的風險不小；火星常態化的沙塵天氣會讓火車車更易發生車輪卡死情況；火星表面的石塊環境對車輪輪緣的強度、耐磨性提出更高要求。

近些年來，火星車成為火星探測的核心，復雜程度越來越高，待機工作時間也越來越長。“天問一號”火星車的設計壽命為90個火星日（一火星日約為24小時40分鐘），將成為中國航天者向太空發問的第一步，也是中國航天走向深空的里程碑。

火星是太陽系中與地球環境最為相似的行星，了解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要價值，也對人類拓展生存空間具有重要意義。如果“天問一號”探測任務成功完成，將為我們提供關于火星的大量全新信息。從科學上講，“天問一號”是對火星形態、地質學、礦物學、空間環境、土壤和水冰分布等進行研究的最全面的任務。