火星探測器發展簡述及遠景展望

林來興（北京控制工程研究所）

1 引言

太陽系的八大行星中，只有火星與地球很相似，它的直徑是地球的53%，質量為地球的11%。值得注意的是，火星的自轉周期以及自轉軸傾角和地球差不多，火星與地球很像是“孿生兄弟”。但是，目前的火星卻是一個地表滿是沙丘、礫石的沙漠行星。火星既不溫暖，也不濕潤，沙塵暴也常年發生,和地球的地質活動相比，火星顯得很平淡。現在的很多隕石坑或者峽谷都是在遠古時期形成的，但就是這樣一個紅色的行星，人類偏偏喜歡和它“親近”。根據目前科學家的發現，大約在幾億年前，火星的環境和現在的地球類似，河流、湖泊以及海洋一應俱全。但是不知是何原因，火星變成了如今這副貧瘠的模樣。[1]如果人們可以找出火星環境改變的原因，那么對于人類的生存也將具有重大意義。另一方面，對今天擁有高度發達科技的地球人，能否改善火星狀態，把它變成第二個地球，例如火星地球化（火星加熱，提高大氣濃度，種草，種樹等），需要幾個世紀不斷的努力。

為此，我們對60年來全球火星探測發展所取得的成績和寶貴經驗進行簡要的客觀評價，并以積極的態度、科學的精神漸行前進，有計劃地對今后發展做個較為系統而全面的展望。

2 火星探測器發展簡述

發射火星探測器成功與失敗概率及其主要原因分析

我們將60年來發射火星探測器的歷程分為前期與后期兩部分：

（1）前期（1960－1989年）

這一階段歷經近30年,全球共實施了25次火星探測任務,其中失敗14次,成功6次,部分成功5次。失敗率為56%,完全成功率為24%。[2-3]經過研究分析,失敗的主要原因如下：

1）初期人們對火星情況了解較少,有些甚至停留在天文學水平；

2）在冷戰期間,以政治目的為需要,爭取第一,有些任務急忙上馬,在條件不完全具備的情況下也執行發射任務；

3）初始期間發射火星探測器的有關技術水平較低,例如,火箭發射能力與質量,遙遠距離測控水平與能力等。

（2）后期（1990－2020年）

從1990年到2020年這30年,全球共實施了22次火星探測任務(其中3個于2020年發射，現正在途中), 其中失敗6次,成功14次,部分成功2次。完全成功率為64%,失敗率為27%。[3]由此可見,成功率與失敗率前后兩個階段正好相反。經過研究分析,后期任務成功的主要原因如下：

1）前期所缺少的3個因素在后期都逐漸克服,并且探測器在數量與質量方面都有極大提高,從而具備成功基本條件；

2）積極開發應用星載計算機與軟件,提高系統可靠性、自主性和智能技術,以適應遙遠的近億千米距離的測控操作；

3）開展了大量應用地面仿真實驗驗證,從系統到關鍵部件與機構,采用各種仿真方法(數學和物理)進行試驗驗證,所有產品和系統都必須通過仿真驗證才能出廠,保證了產品和系統的性能和可靠性。

概括分析60年來火星探測器的發展，除了成功率提高以外，探測能力也有所提升，增加了火星車表面巡視多種探測手段，以及取樣貯存等，這說明火星探測器發展是漸進的。

60年來，火星探測器成功與部分成功所占比例為58%,這相比于地球軌道衛星來說是很低的,但是對近億千米距離的火星來說,是中等偏低水平,為此今后還應繼續努力。

火星探測的關鍵階段和關鍵技術

（1）關鍵階段

火星探測器從地球到火星，飛行距離近億千米，歷時約200天，可以劃分為如下4個關鍵階段，確保探測器安全經過關鍵階段是成功的必要條件。

1）地火轉移軌道階段。地球軌道轉到火星軌道最佳方案為霍曼變軌,燃耗最小,火箭在此時刻發射入軌。太陽和地球之間畫一條連線，太陽和火星之間畫一條線，這兩條線之間的夾角達到44°，這就是探測器和火星相遇的最佳時間點。在限定的發射窗口內將探測器送入地火轉移軌道是任務成功的第一步，這個階段任務的關鍵就是保證地火軌道的飛行精度。

2）捕獲火星軌道階段。探測器達到火星附近要進行軌道捕獲，利用發動機進行減速制動。若速度降得不夠多，探測器將飛離火星。速度降得過大，可能直接撞擊到火星表面或者進入大氣層燒毀。

3）進入下降著陸（EDL）階段。火星探測器速度要由4～6km/s迅速降到接近0（軟著陸)，而且這段時間僅有7～8min，是真正的危險階段，下降速度很大，時間很短，一旦出問題后果就會非常嚴重，探測器很有可能燒毀。前期發射的很多火星探測器都是在此階段損毀。

4）表面巡視探測階段。首先是分離，要求安全、平穩步入火星表面，速度一般較慢，如：天問一號探測器的火星車需約10min才能從轉移梯子上行駛到火星表面。然后是巡視探測，火星車設備與儀器全部啟動，火星車按計劃開始行走探測。

以上各階段的重要性雖然不盡相同，但是都必須按次序通過，否則探測任務將很容易夭折或者失敗。

（2）關鍵技術

1）超遠距離測控通信技術。地球與火星最遠相距約4億千米，通信信號在如此遙遠距離的情況下衰減可達280dB，為了克服巨大的信號衰減，一方面要依靠提高星載設備的性能，另一方面更需要地面站設備的配合，來提高發射上行大功率信號和接收下行微弱信號的能力，保證火星探測器與地面站的超遠距離通信。這就要求在下行傳輸過程中，探測器上具有較大發射功率，星載天線具有較大的增益，且地面站足以接收來自數億千米遠的火星探測器發回的微弱信號。同時，在上行傳輸過程中，要求星上接收機具有較高的靈敏度。

2）自主導航與控制技術。火星探測器距離地球遠，通信時延大，飛行時間長，任務環境復雜，僅依靠地面測控網的導航與控制，在精度、實時性和可靠性等諸多方面受到限制，難以滿足火星捕獲制動、進入下降著陸等特殊任務階段的高精度實時導航與控制需求，自主導航與控制技術是解決這些問題的有效途徑，目前已實現的深空探測任務一般都具有一定的自主導航與控制能力。

3）自主管理與故障重構技術。火星探測器飛行任務通信時延大，往返時間可達40min；還存在長達幾十天的日凌，在此期間，探測器上下行鏈路受太陽影響而惡化，地面站無法與探測器建立聯系。這就要求探測器具有更強的自主管理與故障重構能力，以便在地面授權的前提下，探測器自主完成一定飛行任務，同時保證探測器在某些故障和應急情況下，自主完成故障診斷、隔離與重構。針對火星探測長時間日凌、大時延通信的任務特點，需要突破自主飛行管理、自主故障診斷與重構、未知環境下的環境感知與建模、復雜地形下自主全局定位、自主巡視與生存等關鍵技術。

4）進入下降著陸技術。EDL過程飛行環境動態范圍變化大、不確定性強，是火星著陸任務成功的關鍵。針對火星表面稀薄大氣（僅有地球大氣密度的1%）的特點，EDL技術涉及到高性能大鈍體氣動外形、高效率可控降落傘、高精度高容錯自主導航、多約束自適應制導與控制等一系列關鍵技術。

5）地面仿真實驗驗證技術。針對火星探測器和飛行環境特點，研究火星探測器地面仿真實驗方法和相應的仿真設備，提高地面仿真實驗逼真度和實驗結果可信度，從硬件研制、軟件開發到系統各個階段都應采用仿真實驗來驗收產品出廠是否合格。這是行之有效提高任務成功率的方法。

3 火星探測器的遠景展望

前期—21世紀20年代至21世紀末

從現在起到21世紀末期，由地球向火星有近40次發射窗口，每次發射窗口約有20來天，總共約有800天，應該有計劃、科學地利用這些寶貴的發射窗口時間。

在這80年里，首先應較全面深入了解火星環境的有關情況，找出火星變成當前狀態的基本原因，以及火星水資源等；其次要進行有關載人火星飛行需要關鍵技術研究與研制和實驗；最后開展實驗性火星機器人與載人飛行，以及發射往返載人火星飛船。未來火星探測和研究項目的基本內容分三個發展階段簡要論述：

（1）第一階段大約需要20年

1）增加火星車數量與探測區域；

2）應用軌道器環繞火星，裝備高分辨率相機（分辨率為10～15cm），完成火星表面圖像并發回地球，開展火星全球環境分析研究；

3）火星車表面巡視探測，最終要取樣返回地球，要求在不同地區取樣多次返回地球；

4）向火星發射機器人，著陸后開展就位分析并取樣送回地球；

5）應用自動控制登陸方式收集火星表面土壤樣本，并返回地球。返回時的推進劑要求從火星上的原料中得到。

（2）第二階段大約需要30年

載人火星任務飛行一次最少也要1.5年時間,要確保生命保障系統連續不斷工作,以及保證航天員生活與工作食品與設備所需裝載等,這比“阿波羅”載人登月難度要高2～3個數量級，而且這些難度不僅只是資金可以解決,更需要一個時期來開展有關載人火星飛行關鍵技術研究,例如：

1）研究和設計出連續工作1.5～2年，能容納3名航天員的空間飛行生命保障系統，而且當中不能從地球得到任何供應；

2）研究和發送一個耐壓火星車到火星表面上，要求火星車可承載2人在火星表面工作生活一星期的能力，火星車在火星上至少行駛50km，車內壓力為地球正常壓力，溫度保持10～30℃；

3）研究和設計一套系統，能夠利用火星上的原料合成推進劑，提供5t載荷從火星表面發射到火星軌道上，要求合成推進劑有70%以上質量是從火星提供；

4）研究和設計一套火星發電系統，要求在500天中每天平均發電量大于15kW,同時要求任何時候不能少于2kW。

（3）第三階段為21世紀末之前的30年

經過兩個階段50年的全球火星探測任務的實施，載人火星探測關鍵技術將能取得重大突破。到21世紀末期完全有條件進行火星載人飛行實驗,采用超大發射能力運載火箭直接從地球發射到火星表面,然后返回地面。

1）火星仿真搭載機器人飛行實驗，實驗設備完全按真正載人飛行配備，包括生命保障系統，僅是用機器人替代航天員，這個實驗全面考驗系統各設備，特別是生命保障系統，要求機器人出艙取樣，并攜帶小型巖石返回地球；

2）發射火星載人飛船實驗，要求兩名航天員僅在火星表面停留3～5天，并在當年火星發射窗口返回地面。

后期—22世紀以后的若干世紀

截至目前，學者專家們已經發表許多文章關于火星地球化的探討，特別是2003年8月在美國召開了“火星移民研究”國際會議，討論在未來幾個世紀中將火星改造成一個綠色星球，使之成為未來人類的第二個家園。從此以后出現諸多關于火星移民的文章與建議。

在這里本文暫不討論火星地球化的具體內容，僅論述它的可能性和實現性。可能性是存在的，實現性很難說，仍是個未知數。因為事物變化有些是可逆的，有些不可逆。對火星地球化可能在小部分地區實現，以后若能自主繼續發展并擴大區域，那么將來在較長時期的火星地球化就有望成功，否則若需要再長期依靠大量人力物力去維護，那么這些地區最終也將消亡。

總之，火星若能地球化也需要若干世紀，這當中可以預見以及可以實現的是機器人開采火星上有價值的資源。

除此以外，研究與發展火星探測器技術重要的還在于科學意義：一方面，深刻了解火星環境惡化原因與過程，對保護地球和進行環保有重大意義與參考價值。另外，可帶動許多領域科學與技術的發展，對此，20世紀70年代的“阿波羅”載人登月就是一個實例。