近日，中國(guó)航天科技集團(tuán)公布了進(jìn)行我國(guó)首次獨(dú)立的火星探測(cè)的探測(cè)器外觀圖片。

然而，也僅僅只有一張圖片……

那么，我國(guó)的第一次獨(dú)立探火將如何開(kāi)展，圖片上探測(cè)器的各部分功能又是什么？本文將根據(jù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中所提供的信息，對(duì)這些問(wèn)題做一些初步的解讀。

火星路漫漫

2011年，我國(guó)曾計(jì)劃于俄羅斯合作，利用俄羅斯“福布斯-土壤”號(hào)探測(cè)器進(jìn)行火星探測(cè)的機(jī)會(huì)，安排我國(guó)研制的螢火一號(hào)探測(cè)器進(jìn)行搭載飛行，與福布斯-土壤號(hào)共同到達(dá)火星附近后再行分離，執(zhí)行各自的探測(cè)任務(wù)。然而，由于福布斯-土壤號(hào)出師未捷身先死，在地球附近變軌失敗，我國(guó)的螢火一號(hào)也因此未能完成預(yù)定任務(wù)。

(福布斯-土壤探測(cè)器。探測(cè)器中部的架子內(nèi)部，就是搭載飛行的螢火一號(hào)探測(cè)器。)

探索火星具有重要的科學(xué)和技術(shù)價(jià)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(méi)有像地球一樣的較強(qiáng)的內(nèi)稟磁場(chǎng)，指南針在火星上將無(wú)法正常使用。火星的大氣相當(dāng)稀薄，且主要成分是二氧化碳。目前的主流觀點(diǎn)認(rèn)為正是由于火星失去了內(nèi)稟磁場(chǎng)形成的磁層的保護(hù)，才會(huì)逐漸被太陽(yáng)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(cè)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(guò)程提供了一個(gè)時(shí)間膠囊。

從技術(shù)上講，對(duì)火星的探索必然會(huì)推進(jìn)一個(gè)國(guó)家的深空航天技術(shù)水平。無(wú)論是能夠?qū)⑾喈?dāng)重量的探測(cè)器發(fā)射到地月轉(zhuǎn)移軌道上的大推力運(yùn)載火箭，還是能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離可靠深空飛行的飛行器，以及支撐航天器工作的測(cè)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(shí)，已經(jīng)有不少機(jī)構(gòu)設(shè)想未來(lái)對(duì)火星進(jìn)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?cè)谖磥?lái)競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)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(jī)飛了36.5米的時(shí)候，跨洋飛行和超音速飛行這些現(xiàn)在已經(jīng)司空見(jiàn)慣的技術(shù)，在那時(shí)也只是幻想。

實(shí)際上，我國(guó)的科技人員在螢火一號(hào)計(jì)劃開(kāi)展的同時(shí)，就在構(gòu)思我國(guó)獨(dú)立進(jìn)行火星探測(cè)的方案。當(dāng)螢火一號(hào)在2011年遭遇不測(cè)后，科學(xué)家和工程師們?nèi)匀辉诙喾匠h，希望我國(guó)能夠?qū)嵤┆?dú)立的火星探測(cè)任務(wù)。同時(shí)，隨著嫦娥三號(hào)任務(wù)的成功，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了航天器在其他天體上的首次軟著陸，而月球探測(cè)和火星探測(cè)又同屬行星探測(cè)的范疇，火星探測(cè)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(jìn)一步深化升級(jí)獲得。在這些因素的促進(jìn)下，2016年1月，國(guó)家正式批準(zhǔn)我國(guó)的火星探測(cè)計(jì)劃立項(xiàng)，并在當(dāng)年4月22日的航天日新聞發(fā)布會(huì)上對(duì)外公布。

環(huán)繞器和著陸器，一對(duì)好搭檔

雖然對(duì)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(cè)器只能沿著一條被稱為“費(fèi)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(cè)器沿著這條軌道飛向火星的時(shí)間是一定的，而入軌的時(shí)機(jī)有必須使得航天器到達(dá)轉(zhuǎn)移軌道另一端時(shí)，剛好與火星相遇，因此向火星發(fā)射的窗口每26個(gè)月才會(huì)出現(xiàn)一次。下次火星發(fā)射的窗口將于2020年出現(xiàn)，我國(guó)的火星探測(cè)器計(jì)劃于那時(shí)啟程，奔赴火星。在這個(gè)時(shí)間段和她一塊上路的，還有美國(guó)NASA的火星2020探測(cè)器。

（探測(cè)器未在發(fā)射窗口發(fā)射，雖然到達(dá)火星軌道但未能與火星相遇）

（探測(cè)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(guó)的首個(gè)火星探測(cè)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(gè)噴嘴，與一般的衛(wèi)星有幾分相像。根據(jù)已發(fā)表文獻(xiàn)的介紹，我國(guó)首次火星探測(cè)將在一次任務(wù)中實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視這三種手段的探測(cè)，而探測(cè)器由環(huán)繞器和著陸器兩部分構(gòu)成。筆者認(rèn)為，圖片中探測(cè)器的上半部分的鈍頭體是適合在火星大氣中實(shí)施氣動(dòng)減速的外形，因此應(yīng)該是著陸器，而下半部分沒(méi)有為著陸過(guò)程中與大氣的相互作用采取特殊措施，應(yīng)該是不進(jìn)入火星大氣層的環(huán)繞器（也稱軌道器）。

按照計(jì)劃，環(huán)繞器和著陸器的組合體將由長(zhǎng)征五號(hào)火箭直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道，也就是上文所提的費(fèi)曼轉(zhuǎn)移軌道飛向火星，而不會(huì)像某南亞國(guó)家的探測(cè)器一樣，在地球附近要兜很長(zhǎng)時(shí)間的圈子一點(diǎn)一點(diǎn)的變軌。一般來(lái)說(shuō)，這種較為復(fù)雜的入軌操作，要由為長(zhǎng)征五號(hào)配套研制的遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)來(lái)完成最后的工作。入軌后，探測(cè)器要經(jīng)歷9個(gè)月左右的飛行，其間還要視情況對(duì)軌道進(jìn)行中途修正，才能到達(dá)火星附近。在接近火星后，探測(cè)器要使用自己的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施變軌操作，從以太陽(yáng)為中心的轉(zhuǎn)移軌道過(guò)渡到以火星為中心、周期約為10個(gè)火星日的橢圓軌道上。在這條軌道上進(jìn)行調(diào)整后，探測(cè)器會(huì)再行過(guò)渡到周期為2個(gè)火星日的橢圓停泊軌道上，進(jìn)一步接近火星。在這里，組合體會(huì)對(duì)預(yù)定的著陸區(qū)進(jìn)行抵近探測(cè)，確定實(shí)際使用的著陸點(diǎn)。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(kāi)展巡視探測(cè)。而環(huán)繞器則留在環(huán)繞火星的軌道上，在進(jìn)行探測(cè)的同時(shí)，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(duì)于火星探測(cè)來(lái)說(shuō)，環(huán)繞探測(cè)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(cè)則能夠使我們獲得更為的精細(xì)信息，在環(huán)繞器和巡視器的相互配合下，我國(guó)首次火星探測(cè)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(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)這五方面的科學(xué)目標(biāo)。同時(shí)，雖然在火星表面著陸的航天器也能直接與地球進(jìn)行通信，但由于著陸器和巡視器一般不會(huì)配備增益比較高的天線，受遙遠(yuǎn)距離導(dǎo)致的信號(hào)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(duì)位置等因素的影響，能夠進(jìn)行直接通信的時(shí)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(bǔ)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(duì)于美國(guó)NASA這種已經(jīng)長(zhǎng)期進(jìn)行火星探測(cè)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(gè)環(huán)繞器在穩(wěn)定工作。因此，只需單獨(dú)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(hào)火星車發(fā)射時(shí)，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(hào)提供服務(wù)。而對(duì)于我國(guó)的首次獨(dú)立火星探測(cè)，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(guó)的維京1號(hào)（“維京”也譯作“海盜”）、維京2號(hào)等最初進(jìn)行火星著陸探測(cè)的探測(cè)器所采用的方式。

我國(guó)的環(huán)繞器和著陸巡視器的總重量達(dá)到5噸，和NASA單獨(dú)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(hào)火星車的發(fā)射重量為3.89噸，兩者合計(jì)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(guó)的火星探測(cè)器上，環(huán)繞器供配備了7臺(tái)科學(xué)載荷，火星車供配備了6臺(tái)科學(xué)載荷，為多方面科學(xué)目標(biāo)的完成提供了保證。同時(shí)，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(dòng)力的主發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是圖片上組合體底部的噴管所處的裝置，就無(wú)需像單獨(dú)發(fā)射時(shí)那樣，為環(huán)繞器和巡視器分別配置。

（美國(guó)好奇號(hào)在火星著陸的過(guò)程。我國(guó)的火星探測(cè)器除了在動(dòng)力下降段及之后的過(guò)程中可能與好奇號(hào)采取的方式有所不同外，整體上的過(guò)程應(yīng)該大致相似。）

而著陸器在外觀上之所以看起來(lái)與神舟飛船的返回艙有幾分相像，是因?yàn)樗蜕裰埏w船的返回艙一樣，都要經(jīng)歷與大氣層劇烈的相互作用過(guò)程。在著陸過(guò)程中，著陸器首先會(huì)與火星大氣相互作用而減速，爾后降落傘打開(kāi)，進(jìn)一步為著陸器減速。在此之后，這個(gè)墩頭錐狀的外殼應(yīng)該就會(huì)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(dòng)機(jī)再進(jìn)行自主動(dòng)力避障等過(guò)程，最終完成軟著陸，并釋放月球車。

在嫦娥探月工程中，我國(guó)積累了對(duì)于行星表面著陸的經(jīng)驗(yàn)，還成為了世界上唯一一個(gè)實(shí)際應(yīng)用自主動(dòng)力避障技術(shù)的國(guó)家。嫦娥探測(cè)器可以利用自身搭載儀器對(duì)著陸場(chǎng)的危險(xiǎn)地形進(jìn)行自動(dòng)識(shí)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(huì)得到應(yīng)用。

不過(guò)，由于火星有大氣而月球無(wú)大氣，在火星的著陸過(guò)程要考慮與大氣的相互作用，因此在火星著陸的過(guò)程比月球的著陸過(guò)程更為復(fù)雜。同時(shí)，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(hào)返回艙的相關(guān)技術(shù)，必須針對(duì)火星大氣的特性進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)。

由于火星與地球相聚十分遙遠(yuǎn)，信號(hào)傳播的時(shí)間延遲相當(dāng)大。在探測(cè)器到達(dá)火星附近執(zhí)行一系列關(guān)鍵動(dòng)作時(shí)，與地面的通信延遲高達(dá)15分鐘。也就是說(shuō)，探測(cè)器在火星上的任何風(fēng)吹草動(dòng)，理論上至少需要30分鐘才能收到地球上發(fā)來(lái)的反饋控制。而從探測(cè)器進(jìn)入火星大氣到完成著陸，整個(gè)過(guò)程在8分鐘時(shí)間內(nèi)就會(huì)完成，且每個(gè)動(dòng)作之間是一環(huán)套一環(huán)的深度耦合關(guān)系，幾乎沒(méi)有重來(lái)一次的補(bǔ)救機(jī)會(huì)。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(cè)器本身也要具備較強(qiáng)的自我管理與控制功能，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，必須在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行診斷和糾正。

不過(guò)，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(cè)技術(shù)的只有美國(guó)一家，而它也是我們一直對(duì)標(biāo)追趕的對(duì)象。通過(guò)此番向火星發(fā)起的沖擊，我國(guó)的深空探測(cè)技術(shù)必然得到相當(dāng)大的提升，為未來(lái)探索太陽(yáng)系的其他行星以及太陽(yáng)本身，甚至飛出太陽(yáng)系奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考內(nèi)容：

[1]耿言,周繼時(shí),李莎,付中梁,孟林智,劉建軍,王海鵬.我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào),2018,5(05):399-405.

[2]李春來(lái),劉建軍,耿言,曹晉濱,張鐵龍,方廣有,楊建峰,舒嶸,鄒永廖,林楊挺,歐陽(yáng)自遠(yuǎn).中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)科學(xué)目標(biāo)與有效載荷配置[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào),2018,5(05):406-413.

[3]郝萬(wàn)宏,董光亮,李海濤,王宏,樊敏,周歡,徐得珍.火星大氣進(jìn)入下降著陸段測(cè)控通信關(guān)鍵技術(shù)研究[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào),2018,5(05):426-434.

[4]朱巖,白云飛,王連國(guó),沈衛(wèi)華,張寶明,王蔚,周盛雨,杜慶國(guó),陳春紅.中國(guó)首次火星探測(cè)工程有效載荷總體設(shè)計(jì)[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào),2017,4(06):510-514+534.

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