漫談火星探測(cè)任務(wù)

毛新愿

火星是地球的鄰居，但這個(gè)鄰居“住”得并不近，它與地球的距離在5 500萬(wàn)千米～4億千米之間變化，就連速度極快的光單程都需要走3分鐘～22分鐘。不僅如此，地球與火星每隔780天才有一次會(huì)合機(jī)會(huì)，而對(duì)于地球上的我們來(lái)說(shuō)，只有會(huì)合前幾個(gè)月的時(shí)間窗口才適合開(kāi)展火星探測(cè)。可見(jiàn)，我們想到這個(gè)鄰居家拜訪一次著實(shí)不易。

雖然很困難，但人類(lèi)還是走出家門(mén)開(kāi)啟了一次次火星探測(cè)之旅。不過(guò)，人類(lèi)每次拜訪火星的方式是不同的：有時(shí)是從火星身邊飛掠而過(guò)，有時(shí)是在火星軌道上環(huán)繞觀測(cè)，有時(shí)是在火星表面降落，有時(shí)是在火星表面開(kāi)車(chē)巡視。總而言之，拜訪的目的五花八門(mén)，做客的方式多種多樣。今天我們就來(lái)聊聊火星探測(cè)的四種方式都有哪些門(mén)道。

驚鴻一瞥：飛掠任務(wù)

飛掠任務(wù)就是探測(cè)器在火星附近飛速掠過(guò)，并在極短的時(shí)間內(nèi)抓住一切機(jī)會(huì)記錄有用數(shù)據(jù)，隨后滑入深空。相比動(dòng)輒數(shù)月的深空旅行時(shí)間，觀測(cè)火星的真正有效時(shí)間僅在1天左右。

對(duì)于火星探測(cè)這種昂貴的任務(wù)，飛掠是非常不理想的設(shè)計(jì)。但是沒(méi)有辦法，人類(lèi)在20世紀(jì)60年代開(kāi)啟火星探測(cè)時(shí)，火箭運(yùn)輸能力、探測(cè)器自身的推進(jìn)能力、軌道控制和確定精度能力都有明顯不足，很難讓探測(cè)器制動(dòng)減速，留在環(huán)繞火星的軌道上。所以，飛掠就成了無(wú)奈之舉。不過(guò)，能實(shí)現(xiàn)工程驗(yàn)證目標(biāo)、以一瞥火星真容為核心的飛掠任務(wù)是在當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平之下成功率相對(duì)最高的做法了。

然而，在火星探測(cè)的起步階段，連飛掠這個(gè)目標(biāo)都很難實(shí)現(xiàn)。1960年到1964年，蘇聯(lián)和美國(guó)拉開(kāi)的火星探測(cè)大幕，開(kāi)局就是6次慘烈的失敗。

“水手4號(hào)”探測(cè)器

1965年，“水手4號(hào)”探測(cè)器拍攝的歷史上首張火星近距離照片

失敗并不可怕，總會(huì)迎來(lái)曙光。1964年11月28日，美國(guó)發(fā)射的“水手4號(hào)”探測(cè)器終于在1965年7月15日成功從火星附近飛掠而過(guò)，最近時(shí)距離火星約1萬(wàn)千米。在短暫的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器努力將鏡頭和各種科學(xué)儀器對(duì)準(zhǔn)火星，拍攝了22張火星照片，并記錄了火星的磁場(chǎng)、溫度、大氣等研究數(shù)據(jù)，隨后滑入深空，與火星永別。

隨著探測(cè)技術(shù)的逐步發(fā)展，以飛掠為目標(biāo)的火星探測(cè)任務(wù)逐漸消失，但也有一些探測(cè)地球外側(cè)天體的探測(cè)器“兼職”飛掠探測(cè)了火星。例如探測(cè)彗星的“羅塞塔號(hào)”和探測(cè)小行星帶的“黎明號(hào)”都曾飛掠火星。2018年發(fā)射的“洞察號(hào)”著陸器也帶了兩顆微小衛(wèi)星飛掠火星。

登高望遠(yuǎn)：環(huán)繞任務(wù)

慢慢地，隨著技術(shù)的進(jìn)步，探測(cè)器靠近火星后已經(jīng)可以依靠自身動(dòng)力制動(dòng)進(jìn)入環(huán)繞火星的大橢圓軌道。如果探測(cè)器的推進(jìn)能力更強(qiáng)或者能夠借助火星頂部的稀薄大氣緩慢“剎車(chē)”，它甚至可以直接變軌進(jìn)入圓形軌道。軌道高度越穩(wěn)定，觀測(cè)起來(lái)就越有效率。

軌道器又名環(huán)繞器，它能夠長(zhǎng)期環(huán)繞火星，登高望遠(yuǎn)，所以可以采集到關(guān)于火星的海量數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們就可以全方位地研究火星的磁場(chǎng)、大氣層、重力場(chǎng)、水、淺層土壤等方面的情況，極大地豐富了人類(lèi)對(duì)火星的認(rèn)知。此外，軌道器還能起到至關(guān)重要的信號(hào)中繼作用，可以服務(wù)于降落在火星表面的著陸器和巡視器。比如著名的“奧德賽號(hào)”探測(cè)器，它于2001年發(fā)射后，在軌道器的幫助下至今已經(jīng)工作了將近20年，這個(gè)紀(jì)錄還在不斷被刷新呢！

“奧德賽號(hào)”探測(cè)器

觀天測(cè)地：降落任務(wù)

降落任務(wù)的最大優(yōu)勢(shì)是能更仔細(xì)地研究火星表面的各種細(xì)節(jié)，尤其是對(duì)水、氣象、底部大氣、土壤成分、地表地貌、潛在有機(jī)物和深層土壤的研究。但需要說(shuō)明的是，受重量和能量限制，著陸器自身不可能攜帶巨大的天線與地球直接聯(lián)絡(luò)，它僅能將所有信息發(fā)給火星上空的軌道器，讓其代為轉(zhuǎn)發(fā)。比如，2018年發(fā)射的“洞察號(hào)”探測(cè)器，它有著陸器，可以降落在火星表面，深入研究火星內(nèi)部的熱流和地震信息等。

火星降落是人類(lèi)航天事業(yè)的頂級(jí)科技之一，最典型的特點(diǎn)就是著陸系統(tǒng)需要完全自主導(dǎo)航、控制完成著陸之旅。標(biāo)準(zhǔn)的火星著陸過(guò)程持續(xù)時(shí)間僅為7分鐘左右，遠(yuǎn)不夠完成一次地球與火星之間的通信，這意味著全程多個(gè)復(fù)雜的動(dòng)作，著陸器必須自主完成。這樣一來(lái)，就對(duì)著陸器的軟件和硬件提出了極高的要求。

“洞察號(hào)”著陸器

自由移動(dòng)：巡視任務(wù)

巡視器又名火星車(chē)，它相比不能移動(dòng)的著陸器而言，最大的優(yōu)勢(shì)就在于可以隨處移動(dòng)，意義不言而喻。由于不帶有固定著陸器必須攜帶的推進(jìn)劑儲(chǔ)罐、著陸腿、支撐結(jié)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)等復(fù)雜部分，巡視器可以集中搭載科研載荷，從事多地點(diǎn)、多方面的精細(xì)研究。

近年來(lái)，火星車(chē)已成為火星探測(cè)的核心，復(fù)雜程度越來(lái)越高，待機(jī)時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)。一些著名的任務(wù)，如“勇氣號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”，其火星車(chē)使用的太陽(yáng)能電池板已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)超預(yù)期的工作時(shí)長(zhǎng)。昂貴的“好奇號(hào)”火星車(chē)以放射性同位素電池（又名核電池）為主要?jiǎng)恿Γ梢匀旌蚬ぷ?、超長(zhǎng)待機(jī)，著陸火星8年仍在辛勤工作。

就像探月任務(wù)一樣，隨著探測(cè)技術(shù)的不斷提升，探測(cè)任務(wù)也會(huì)更加多樣。現(xiàn)在，第五種火星探測(cè)任務(wù)——“采樣返回”已在醞釀之中。只有探測(cè)任務(wù)不斷豐富，我們才能從火星上獲取更多的信息，為移居火星做更充分的準(zhǔn)備。

“勇氣號(hào)”火星車(chē)