近日，中國航天科技集團公布了進行我國首次獨立的火星探測的探測器外觀圖片。
然而，也僅僅只有一張圖片……
那么，我國的第一次獨立探火將如何開展，圖片上探測器的各部分功能又是什么？本文將根據(jù)在國內(nèi)外已經(jīng)公開發(fā)表的文獻中所提供的信息，對這些問題做一些初步的解讀。
火星路漫漫
2011年，我國曾計劃于俄羅斯合作，利用俄羅斯“福布斯-土壤”號探測器進行火星探測的機會，安排我國研制的螢火一號探測器進行搭載飛行，與福布斯-土壤號共同到達火星附近后再行分離，執(zhí)行各自的探測任務(wù)。然而，由于福布斯-土壤號出師未捷身先死，在地球附近變軌失敗，我國的螢火一號也因此未能完成預(yù)定任務(wù)。
(福布斯-土壤探測器。探測器中部的架子內(nèi)部，就是搭載飛行的螢火一號探測器。)
探索火星具有重要的科學(xué)和技術(shù)價值。從科學(xué)上講，火星雖然和地球一樣，都是巖態(tài)行星，但又有著許多與地球不同的特性。例如，火星沒有像地球一樣的較強的內(nèi)稟磁場，指南針在火星上將無法正常使用?；鹦堑拇髿庀喈?dāng)稀薄，且主要成分是二氧化碳。目前的主流觀點認為正是由于火星失去了內(nèi)稟磁場形成的磁層的保護，才會逐漸被太陽風(fēng)剝離了原有的稠密大氣。另外，火星上很有可能曾經(jīng)存在液態(tài)水和生命，而從現(xiàn)在測火星上尋找曾經(jīng)的液態(tài)水和生命的蛛絲馬跡，又為我們研究行星的演化過程提供了一個時間膠囊。
從技術(shù)上講，對火星的探索必然會推進一個國家的深空航天技術(shù)水平。無論是能夠?qū)⑾喈?dāng)重量的探測器發(fā)射到地月轉(zhuǎn)移軌道上的大推力運載火箭，還是能夠進行長時間、長距離可靠深空飛行的飛行器，以及支撐航天器工作的測控通信系統(tǒng)等等，都需要解決近地航天飛行所不需要解決的難題。同時，已經(jīng)有不少機構(gòu)設(shè)想未來對火星進行環(huán)境改造以移民火星的可能。雖然目前星際移民仍然處在設(shè)想階段，但預(yù)先掌握有關(guān)技術(shù)，可以保證我們在未來競爭中的優(yōu)勢與地位。畢竟，當(dāng)萊特兄弟成功的將人類歷史上第一架飛機飛了36.5米的時候，跨洋飛行和超音速飛行這些現(xiàn)在已經(jīng)司空見慣的技術(shù)，在那時也只是幻想。
實際上，我國的科技人員在螢火一號計劃開展的同時，就在構(gòu)思我國獨立進行火星探測的方案。當(dāng)螢火一號在2011年遭遇不測后，科學(xué)家和工程師們?nèi)匀辉诙喾匠h，希望我國能夠?qū)嵤┆毩⒌幕鹦翘綔y任務(wù)。同時，隨著嫦娥三號任務(wù)的成功，我國實現(xiàn)了航天器在其他天體上的首次軟著陸，而月球探測和火星探測又同屬行星探測的范疇，火星探測所需的技術(shù)條件和基礎(chǔ)設(shè)施，可由探月工程的積累進一步深化升級獲得。在這些因素的促進下，2016年1月，國家正式批準我國的火星探測計劃立項，并在當(dāng)年4月22日的航天日新聞發(fā)布會上對外公布。
環(huán)繞器和著陸器，一對好搭檔
雖然對新的飛行路徑方案的研究已有不少成果，但在目前的技術(shù)條件下，人類向火星發(fā)射的探測器只能沿著一條被稱為“費曼轉(zhuǎn)移軌道”的橢圓軌道，從地球附近飛向火星附近。這條橢圓軌道的兩端，一端與地球公轉(zhuǎn)軌道相切，一端與火星公轉(zhuǎn)軌道相切。由于探測器沿著這條軌道飛向火星的時間是一定的，而入軌的時機有必須使得航天器到達轉(zhuǎn)移軌道另一端時，剛好與火星相遇，因此向火星發(fā)射的窗口每26個月才會出現(xiàn)一次。下次火星發(fā)射的窗口將于2020年出現(xiàn)，我國的火星探測器計劃于那時啟程，奔赴火星。在這個時間段和她一塊上路的，還有美國NASA的火星2020探測器。
（探測器未在發(fā)射窗口發(fā)射，雖然到達火星軌道但未能與火星相遇）
（探測器在發(fā)射窗口發(fā)射，與火星相遇）
從圖片中，我們可以看到我國的首個火星探測器大致由兩部分組成。上面的一部分呈現(xiàn)鈍頭的錐形，與神舟飛船的返回艙外觀相似。而下面的一部分則外觀金光閃閃，底部有一個噴嘴，與一般的衛(wèi)星有幾分相像。根據(jù)已發(fā)表文獻的介紹，我國首次火星探測將在一次任務(wù)中實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視這三種手段的探測，而探測器由環(huán)繞器和著陸器兩部分構(gòu)成。筆者認為，圖片中探測器的上半部分的鈍頭體是適合在火星大氣中實施氣動減速的外形，因此應(yīng)該是著陸器，而下半部分沒有為著陸過程中與大氣的相互作用采取特殊措施，應(yīng)該是不進入火星大氣層的環(huán)繞器（也稱軌道器）。
按照計劃，環(huán)繞器和著陸器的組合體將由長征五號火箭直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道，也就是上文所提的費曼轉(zhuǎn)移軌道飛向火星，而不會像某南亞國家的探測器一樣，在地球附近要兜很長時間的圈子一點一點的變軌。一般來說，這種較為復(fù)雜的入軌操作，要由為長征五號配套研制的遠征二號上面級來完成最后的工作。入軌后，探測器要經(jīng)歷9個月左右的飛行，其間還要視情況對軌道進行中途修正，才能到達火星附近。在接近火星后，探測器要使用自己的發(fā)動機實施變軌操作，從以太陽為中心的轉(zhuǎn)移軌道過渡到以火星為中心、周期約為10個火星日的橢圓軌道上。在這條軌道上進行調(diào)整后，探測器會再行過渡到周期為2個火星日的橢圓停泊軌道上，進一步接近火星。在這里，組合體會對預(yù)定的著陸區(qū)進行抵近探測，確定實際使用的著陸點。之后，著陸器和環(huán)繞器分離，著陸器在火星軟著陸后釋放巡視器（也稱“火星車”），由巡視器開展巡視探測。而環(huán)繞器則留在環(huán)繞火星的軌道上，在進行探測的同時，也充當(dāng)火星車與地球之間的“信使”，提供通信中繼服務(wù)。
做難事必有所得
對于火星探測來說，環(huán)繞探測可以使我們獲得有關(guān)火星較為全面的信息，而著陸和巡視探測則能夠使我們獲得更為的精細信息，在環(huán)繞器和巡視器的相互配合下，我國首次火星探測將完成研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、火星表面土壤特征與水冰分布、火星表面物質(zhì)組成、火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征和火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)這五方面的科學(xué)目標。同時，雖然在火星表面著陸的航天器也能直接與地球進行通信，但由于著陸器和巡視器一般不會配備增益比較高的天線，受遙遠距離導(dǎo)致的信號衰減影響，與地球通信的帶寬十分有限。此外，受火星的自轉(zhuǎn)及火星與地球間相對位置等因素的影響，能夠進行直接通信的時間段也比較有限。因此，環(huán)繞器不只在科學(xué)上具有與著陸器、巡視器互補的作用，其中繼通信功能也是巡視器能夠完成任務(wù)的必選配備。
對于美國NASA這種已經(jīng)長期進行火星探測的老手，往往在新的著陸器發(fā)射前，火星附近就已經(jīng)有多個環(huán)繞器在穩(wěn)定工作。因此，只需單獨發(fā)射著陸器，就能依靠已有環(huán)繞器的中繼通信服務(wù)完成任務(wù)。例如，當(dāng)好奇號火星車發(fā)射時，NASA的火星奧德賽、MRO及其合作方ESA的火星快車，都已經(jīng)在火星軌道上等待為好奇號提供服務(wù)。而對于我國的首次獨立火星探測，就采取了把環(huán)繞器和著陸、巡視器打包在一起發(fā)射的方式。這也是美國的維京1號（“維京”也譯作“海盜”）、維京2號等最初進行火星著陸探測的探測器所采用的方式。
我國的環(huán)繞器和著陸巡視器的總重量達到5噸，和NASA單獨發(fā)射的火星車與環(huán)繞器重量之和相差并不大。例如，MRO的發(fā)射重量為2.18噸，好奇號火星車的發(fā)射重量為3.89噸，兩者合計約6噸。較大的發(fā)射重量為有效載荷的配置提供了充分的空間。在我國的火星探測器上，環(huán)繞器供配備了7臺科學(xué)載荷，火星車供配備了6臺科學(xué)載荷，為多方面科學(xué)目標的完成提供了保證。同時，組合體的一些資源可以在環(huán)繞器和著陸巡視器間共享。例如，用于提供變軌動力的主發(fā)動機，也就是圖片上組合體底部的噴管所處的裝置，就無需像單獨發(fā)射時那樣，為環(huán)繞器和巡視器分別配置。
（美國好奇號在火星著陸的過程。我國的火星探測器除了在動力下降段及之后的過程中可能與好奇號采取的方式有所不同外，整體上的過程應(yīng)該大致相似。）
而著陸器在外觀上之所以看起來與神舟飛船的返回艙有幾分相像，是因為它和神舟飛船的返回艙一樣，都要經(jīng)歷與大氣層劇烈的相互作用過程。在著陸過程中，著陸器首先會與火星大氣相互作用而減速，爾后降落傘打開，進一步為著陸器減速。在此之后，這個墩頭錐狀的外殼應(yīng)該就會完成任務(wù)，與著陸器的主體部分分離。著陸器主體利用自身的發(fā)動機再進行自主動力避障等過程，最終完成軟著陸，并釋放月球車。
在嫦娥探月工程中，我國積累了對于行星表面著陸的經(jīng)驗，還成為了世界上唯一一個實際應(yīng)用自主動力避障技術(shù)的國家。嫦娥探測器可以利用自身搭載儀器對著陸場的危險地形進行自動識別，選擇最為安全的位置降落。在火星著陸中，這些技術(shù)應(yīng)該同樣會得到應(yīng)用。
不過，由于火星有大氣而月球無大氣，在火星的著陸過程要考慮與大氣的相互作用，因此在火星著陸的過程比月球的著陸過程更為復(fù)雜。同時，由于火星大氣的性質(zhì)與地球大氣不同，也不能直接照搬神舟號返回艙的相關(guān)技術(shù)，必須針對火星大氣的特性進行進一步的研發(fā)。
由于火星與地球相聚十分遙遠，信號傳播的時間延遲相當(dāng)大。在探測器到達火星附近執(zhí)行一系列關(guān)鍵動作時，與地面的通信延遲高達15分鐘。也就是說，探測器在火星上的任何風(fēng)吹草動，理論上至少需要30分鐘才能收到地球上發(fā)來的反饋控制。而從探測器進入火星大氣到完成著陸，整個過程在8分鐘時間內(nèi)就會完成，且每個動作之間是一環(huán)套一環(huán)的深度耦合關(guān)系，幾乎沒有重來一次的補救機會。因此要求相關(guān)技術(shù)方案和設(shè)備必須具有很高的可行性和可靠性。探測器本身也要具備較強的自我管理與控制功能，一旦發(fā)現(xiàn)問題，必須在極短的時間內(nèi)進行診斷和糾正。
不過，做難事必有所得。迄今為止，真正玩轉(zhuǎn)了火星著陸軟著陸探測技術(shù)的只有美國一家，而它也是我們一直對標追趕的對象。通過此番向火星發(fā)起的沖擊，我國的深空探測技術(shù)必然得到相當(dāng)大的提升，為未來探索太陽系的其他行星以及太陽本身，甚至飛出太陽系奠定堅實的基礎(chǔ)。
參考內(nèi)容：
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