曾在珠海航展展出的火星車模型。 人民視覺

不久前，在首個(gè)“中國(guó)航天日”新聞發(fā)布會(huì)上，國(guó)家航天局局長(zhǎng)許達(dá)哲透露，火星探測(cè)任務(wù)已經(jīng)批準(zhǔn)立項(xiàng)，我國(guó)預(yù)計(jì)在“十三五”規(guī)劃的末年，即2020年左右發(fā)射一顆火星探測(cè)衛(wèi)星。中國(guó)的火星計(jì)劃終于來了！

我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)要一次實(shí)現(xiàn)環(huán)繞、著陸、巡視，這種形式在國(guó)外從沒有過

我國(guó)的火星探測(cè)發(fā)射目標(biāo)是想一步環(huán)繞、著陸、巡視，這個(gè)任務(wù)具有相當(dāng)大的難度。因?yàn)榛鹦翘綔y(cè)要26個(gè)月才能遇到一個(gè)時(shí)間窗口，所以專家們正在嚴(yán)密地制定工程計(jì)劃，爭(zhēng)取在2020年這個(gè)窗口發(fā)射我國(guó)第一個(gè)火星探測(cè)器。據(jù)許達(dá)哲介紹，盡管我國(guó)的飛行器已經(jīng)進(jìn)入了深空，但是完成火星探測(cè)任務(wù)仍不可或缺，探測(cè)火星意味著中國(guó)從真正意義上邁入深空探測(cè)時(shí)代。

中國(guó)火星探測(cè)工程有望一次性完成繞、落、巡三項(xiàng)任務(wù)。中國(guó)航天科技集團(tuán)五院火星項(xiàng)目顧問葉培建院士表示，“與印度‘曼加里安’號(hào)探測(cè)器只是繞火星赤道軌道飛行不同，我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器將繞火星進(jìn)行大橢圓軌道飛行，對(duì)火星進(jìn)行全球觀測(cè)，并由進(jìn)入器載著巡視器著陸火星，巡視器會(huì)在火星上‘走起來’。”

“每隔兩年或三年，才有一次火星距離地球最近的機(jī)會(huì)，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)射火星探測(cè)器，對(duì)運(yùn)載火箭來說是最省能量的。考慮到火星探測(cè)器的質(zhì)量，將由我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭來完成發(fā)射任務(wù)。”中國(guó)航天科技集團(tuán)一院宇航部副部長(zhǎng)馬志濱介紹說。

我國(guó)的火星探測(cè)任務(wù)要一次實(shí)現(xiàn)環(huán)繞、著陸、巡視，這種形式在國(guó)外是從沒有過的，國(guó)外曾擬一次實(shí)現(xiàn)環(huán)繞和著陸，但著陸失敗了。

火星探測(cè)涉及的技術(shù)領(lǐng)域非常多，特別之處還在于，雖然火星車是一個(gè)空間探測(cè)器，但與一般空間探測(cè)器相比，它又具有鮮明的特點(diǎn)。

首先，任務(wù)對(duì)火星探測(cè)器的自主能力要求非常高。考慮到在火星表面進(jìn)行巡視探測(cè)的實(shí)際條件和要克服時(shí)延等限制，要求火星車具備較強(qiáng)的環(huán)境感知與識(shí)別、路徑規(guī)劃等能力，以及具備較強(qiáng)的任務(wù)分析、規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)能力。也就是說，火星探測(cè)器要具備確定行駛路線、發(fā)現(xiàn)障礙危險(xiǎn)的能力。

為了實(shí)現(xiàn)巡視探測(cè)，火星探測(cè)器還要具備較高的環(huán)境適應(yīng)性。除了需要面對(duì)普通航天器遇到的真空、低溫、輻射等問題，也需要適應(yīng)火星表面的地形地貌、塵暴、低重力、高低溫、低氣壓等特殊環(huán)境，還需要解決遠(yuǎn)距離通訊，以及長(zhǎng)時(shí)間日凌時(shí)期的探測(cè)器自主管理等一系列問題。

人類希望有朝一日在火星建立居住基地，最終向火星移民

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院研究員龐之浩說，人類之所以對(duì)火星探測(cè)如此青睞，是因?yàn)樘綔y(cè)火星具有重要的科學(xué)、技術(shù)等多方面意義，甚至關(guān)系到人類的未來。目前火星已成為除地球以外人類研究程度最高的行星，人類利用空間探測(cè)器進(jìn)行火星探測(cè)的歷史幾乎貫穿整個(gè)人類航天史。

通過長(zhǎng)期的天文觀測(cè)和空間探測(cè)，科學(xué)家已經(jīng)確定，火星是與地球最為相似且距離最近的行星，探究火星生命的起源和演化，可以促進(jìn)對(duì)地球生命起源和演化的研究。

火星的自轉(zhuǎn)速度與地球幾乎相等，自轉(zhuǎn)一周為24.6小時(shí)，公轉(zhuǎn)周期為687天；火星上有稀薄的大氣，有四季交替的氣候變化；火星地貌同地球地貌差不多，有高原、平原和環(huán)形山；特別是火星大氣層中也存在臭氧層，可以吸收太陽(yáng)光中的紫外線，為火星表面創(chuàng)造有利生物生長(zhǎng)發(fā)育的條件。因此，人類希望有朝一日在火星建立居住基地，最終向火星移民，把它變成人類的第二家園。

大量跡象還表明，火星以前很可能與目前的地球一樣，只是經(jīng)過幾十億年的演化才變成大氣層稀薄、溫度較低、水源枯竭等樣子。不少天文學(xué)家推斷，火星是地球的未來。因此，探測(cè)或載人登陸火星進(jìn)行研究，可以為防止地球變成人類難以生存的第二個(gè)火星提出預(yù)案。

截至2016年6月，全球共進(jìn)行了114次月球探測(cè)，43次火星探測(cè)。不過，從20世紀(jì)90年代至今，人類共進(jìn)行了18次火星探測(cè)，而月球探測(cè)只進(jìn)行了14次。目前有5個(gè)火星軌道器和2輛火星漫游車在工作，但只有1個(gè)月球軌道器和1個(gè)月球著陸器在工作。世界航天大國(guó)都制定了以火星系統(tǒng)為目標(biāo)的探測(cè)計(jì)劃，由此可見，當(dāng)今的火星探測(cè)比月球探測(cè)還熱。

在火星探測(cè)方面，美國(guó)獨(dú)占鰲頭。從20世紀(jì)90年代起，美國(guó)開始實(shí)施“火星生命計(jì)劃”，以確定火星上是否存在生命；2001年美國(guó)發(fā)射了“火星奧德賽”，該探測(cè)器首次發(fā)現(xiàn)火星上有大量水冰；2003年，美國(guó)先后發(fā)射了第二代火星車——“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”，它們?cè)俅巫C實(shí)火星上有水；2013年美國(guó)發(fā)射的“火星大氣與揮發(fā)物演變”是世界首個(gè)研究火星上層大氣的探測(cè)器。

俄羅斯與歐洲航天局合作研制的“火星生物學(xué)—2016”在今年3月14日發(fā)射成功，用于探測(cè)火星大氣中的甲烷含量和驗(yàn)證火星著陸技術(shù)；2020年，俄羅斯還將與歐洲航天局合作執(zhí)行“火星生物學(xué)—2020”任務(wù)。

2013年11月5日，印度發(fā)射了第一個(gè)火星探測(cè)器——“曼加里安”，成為亞洲第一個(gè)成功探測(cè)火星的國(guó)家。由于印度運(yùn)載火箭推力較小，所以“曼加里安”不能靠火箭推力直接進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，而是先繞地球20多天，靠探測(cè)器自身的發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火加速才能逐漸達(dá)到第二宇宙速度。“曼加里安”用于研究火星表面、大氣和礦物特征，探尋火星上是否有甲烷和生命跡象。

這次任務(wù)最難的地方，就是探測(cè)器進(jìn)入火星大氣后氣動(dòng)外形和降落傘減速只有一次機(jī)會(huì)

據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院總體部的火星探測(cè)器總設(shè)計(jì)師孫澤洲介紹，火星探測(cè)任務(wù)面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

首先是火星大氣問題。火星大氣氣壓很低，只有地球表面大氣壓力的1%，具有很高的不確定性。有關(guān)它的變化和風(fēng)暴時(shí)特性等因素，科學(xué)家們還沒有透徹的認(rèn)識(shí)。火星在夏季常形成類似地球沙塵天氣的塵暴，這會(huì)導(dǎo)致火星車接收的太陽(yáng)光能量急劇下降，必須為火星車設(shè)計(jì)“休眠”模式，讓其耐心地等待塵暴過去。

其次是光照問題。火星距離地球最遠(yuǎn)4億公里，距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)。同樣面積下，火星接收太陽(yáng)光的能量只有月球表面的40%。同時(shí)，火星大氣對(duì)太陽(yáng)光照還有削減作用，這為火星探測(cè)的能源供給帶來難題。這就要求探測(cè)器的太陽(yáng)翼面積更大，而且需不斷調(diào)整，努力對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)方向。還有，火星表面重力只有地球的38%，但是比月球表面的重力大多了，因此探測(cè)器需要更大的功率。

“這次火星探測(cè)任務(wù)最核心、最難的地方，就是探測(cè)器進(jìn)入火星大氣后氣動(dòng)外形和降落傘減速的過程，只有一次機(jī)會(huì)，必須確保成功。”孫澤洲說，由于地球與火星距離遙遠(yuǎn)，整個(gè)過程無(wú)法由地面實(shí)時(shí)控制，所以必須依靠探測(cè)器自主完成。由于沒有那么多的推進(jìn)劑來抵消那么高的速度，所以登陸火星時(shí)，減速要依靠火星大氣的作用，然而火星大氣難以在地面模擬。這些問題都給設(shè)計(jì)師們帶來極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

龐之浩說，總體來講，探測(cè)火星的方式與探測(cè)月球的方式相似，也是“繞、落、巡、回”， 最終實(shí)現(xiàn)載人登陸火星的目標(biāo)。由于火星距離地球比月球距離地球要遠(yuǎn)得多，所以探測(cè)火星需要攻克一系列更復(fù)雜的技術(shù)難關(guān)。目前還沒有一個(gè)國(guó)家或組織通過一次發(fā)射就成功完成“繞、落”兩項(xiàng)火星探測(cè)任務(wù)的先例，而我國(guó)將在2020年通過一次發(fā)射完成“繞、落、巡”三項(xiàng)火星探測(cè)任務(wù)，這將是史無(wú)前例的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。