□ 柯譜

2013年12月14日，嫦娥三號著陸器成功落在月球表面。它所攜帶的“玉兔”號月球車于12月15日駛上月面，使我國成為世界第二個掌握無人月球探測車技術(shù)的國家。至此，一些關(guān)心我國空間探測未來發(fā)展的航天愛好者馬上聯(lián)想到我國未來的火星車應(yīng)該是什么樣子，它能借鑒“玉兔”號的研制技術(shù)嗎？探測月球與探測火星有什么區(qū)別？要回答這個問題，首先要了解月球和火星各自的概況，然后才能通過對比分析認(rèn)識它們的異同。

不一樣的世界

雖然月球與火星都是地外星球，但它們有很多不同之處。

中國“玉兔”號月球車工作實(shí)景

準(zhǔn)備在火星著陸的探測器在進(jìn)入火星大氣后需由氣動殼體提供熱防護(hù)，這是落月探測器不會遇到的問題

月球以每秒1.02千米的速度，在稍扁的軌道上繞地球公轉(zhuǎn)，離地球有時近有時遠(yuǎn)，最近時約36萬千米，最遠(yuǎn)時約40萬千米，平均距離約為384400千米。而火星以橢圓軌道繞太陽飛行，它與地球的最近距離約為5500萬千米，最遠(yuǎn)距離則超過4億千米。大約每隔26個月就會發(fā)生一次火星沖日，地球與火星的距離在沖日期間會達(dá)到極近值，通常只有不足1億千米。

月球是地球唯一一顆天然衛(wèi)星，其質(zhì)量相當(dāng)于地球的1/81，表面重力只有地球的1/6。而火星比月球大許多，質(zhì)量相當(dāng)于地球的11%，其表面重力約為月球的2.5倍、地球的2/5。

月球上沒有大氣，所以沒有風(fēng)雨變幻。在月球上無法靠對流的方式來傳遞熱量，這使得月球的白天和夜晚的溫差高達(dá)310℃，月球白天最高溫度可達(dá)130℃，晚上溫度會下降到-180℃左右，且月球的白天和夜晚各自長達(dá)13.5天。

而火星有大氣，但非常稀薄，密度只有約地球的1%。火星赤道中午時可達(dá)20℃，兩極最低溫度-140℃，火星上的平均溫度大約為-55℃。巨大沙塵暴是火星大氣中獨(dú)有的現(xiàn)象，幾乎在每個火星年里都要發(fā)生一次，最大可達(dá)地球12級臺風(fēng)的幾倍，而且一旦刮起來可持續(xù)三個多月。

由于月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期一樣，都是一個恒星月（27日7時43分11秒），所以在地球上只能看見月球的一面，背向地球的一面永遠(yuǎn)看不見。而火星自轉(zhuǎn)周期為24小時37分，即火星上的一天幾乎和地球上的一樣長?；鹦枪D(zhuǎn)一周約為687天，即火星的一年約等于地球的兩年。

在月球上，除懸崖峭壁外，幾乎所有月面都覆蓋著平均厚度為3～5米的月壤，它們主要是機(jī)械作用的產(chǎn)物。隕石的頻繁撞擊，撞擊濺射物的不斷堆積，宇宙射線的轟擊和劇烈的溫差促使月表巖石破裂和粉碎，這些機(jī)械作用最終形成月壤。月壤的粒度分布很廣，但絕大部分顆粒在30微米到1毫米之間，摸起來跟面粉一樣細(xì)膩。月壤主要由月球巖石碎屑、粉末、角礫、撞擊熔融玻璃物質(zhì)組成。

火星和地球一樣擁有多樣的地形，有高山、平原和峽谷，基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布，到處是遭隕星襲擊后因撞擊形成的坑坑洼洼。它最引人注目的地形特點(diǎn)是干涸的河床，多達(dá)數(shù)千條，蜿蜒曲折，縱橫交錯，主要集中在火星的赤道區(qū)域附近。

飛往火星不易

從上述對比可以看到，月球和火星大相徑庭，而這些差異直接影響到月球車和火星車的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、發(fā)射、著陸、巡視和探測等許多方面。

月球探測器基本每個月都有1次發(fā)射窗口。而火星距地球的距離比月球距地球的距離遠(yuǎn)得多，每隔26個月才會相距較近，即每26個月才有一次發(fā)射窗口，所以在確定火星探測器的研制周期和發(fā)射時間方面要比月球探測器復(fù)雜。

由于距離遠(yuǎn)，所以對發(fā)射火星探測器的火箭要求也比較高。月球探測器進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道的速度為每秒10.9千米。而火星探測器要進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道的速度必須達(dá)到第二宇宙速度才行，即每秒11.2千米，以脫離地球引力。因此，發(fā)射同等質(zhì)量的月球探測器和火星探測器時，后者要用推力更大的火箭。

因?yàn)榛鹦翘綔y器飛往火星的時間和距離比月球探測器飛往月球的時間和距離長得多，前者最快一般需大約8個月，后者最快只需四五天就能到達(dá)目的地，所以對火星探測器的測控要比對月球探測器的測控通信復(fù)雜的多。

一是由于測控通信的信號強(qiáng)度與距離的平方成反比，經(jīng)過幾億千米的路程，火星探測器傳回地球的信號變得十分微弱，再加上宇宙空間存在著各種各樣的噪聲，所以很容易把傳輸信號淹沒掉。測控火星探測器，對探測器本身以及地面測控站都提出了很高的要求，既要求火星探測器裝有高增益天線，也要求地面有天線直徑很大的深空測控站（天線的直徑和探測距離成正比，增大天線口徑可以增加探測距離）。近年，我國在佳木斯和喀什分別建成了直徑64米和35米S/X雙頻段地面深空測控站（以前是18米），它們能滿足未來火星探測器的測控要求。

二是由于距離地球遠(yuǎn)，火星探測器測控信號的傳輸延時很長，單向就達(dá)15～20分鐘，而月球探測器測控信號的傳輸延時單向僅為1秒多，所以對火星探測器的遙測遙控比月球探測器更為復(fù)雜，并要求火星探測器有更高的自主性。

三是由于路途漫漫，所以火星探測器在飛往火星的途中要進(jìn)行比月球探測器次數(shù)更多、更精確的軌道修正才行，這樣才能準(zhǔn)確地飛到火星。如果火星探測器的出發(fā)速度有每秒1米的誤差，探測器飛到火星附近時就會有10萬千米的偏差。

因?yàn)榛鹦翘綔y器遠(yuǎn)離太陽，它所受到的太陽輻射強(qiáng)度大大減弱，所以火星探測器的太陽電池翼性能需更高。另外，火星車的太陽電池翼還要能經(jīng)受火星巨大沙塵暴的考驗(yàn)，美國第一代火星車就是因?yàn)榛鹦巧硥m暴覆蓋了其太陽電池翼而沒能開展更長時間的探測工作。

“旅居者”號火星車

包裹在氣囊中的“勇氣”號火星車向火星表面著陸

恐怖的7分鐘

利用降落傘在火星著陸

由于月球沒有大氣，所以落月探測器不能依靠降落傘來減速進(jìn)行軟著陸，而只能靠自己的發(fā)動機(jī)反推來減小下降速度，有人稱月球探測器的著陸過程為“黑色720秒”。似乎在月表著陸比在有大氣的火星表面著陸更難。

其實(shí)，在火星上著陸也不容易，被稱為“恐怖的7分鐘”。由于無法依靠地面遙控，所以火星探測器切入火星軌道的難度相當(dāng)于從巴黎打一個高爾夫球，正好落到了日本東京的某個球洞里。在探測器切入火星軌道后，如果要在火星表面著陸，其過程類似于返回式衛(wèi)星，但技術(shù)難度大得多，因?yàn)檫b測和遙控信號十分微弱；另外，當(dāng)探測器運(yùn)動到火星背面時，地球無法準(zhǔn)確地確定其軌道參數(shù)，這就給再入高度的選擇帶來困難。許多探測器都因此功虧一簣。1999年12月3日，美國“火星極區(qū)著陸器”在即將登陸火星表面時，由于軟件錯誤導(dǎo)致其起減速作用的火箭發(fā)動機(jī)過早關(guān)閉，最終撞毀。2003年，歐洲“獵兔犬”2號著陸器在與火星“火星快車”軌道器分離后便失蹤了。

空間探測器在地外星球軟著陸方式目前主要有三種：一是氣囊彈跳式，二是著陸腿式，三是空中吊車式，每種方案都有優(yōu)缺點(diǎn)。氣囊式比較簡單，成本低，但只能滿足重量小的探測器軟著陸要求；空中吊車式反之；著陸腿式介于它們兩者之間。蘇聯(lián)“月球車”1號、2號、美國“阿波羅”登月飛船和我國嫦娥三號月球探測器采用緩沖發(fā)動機(jī)反推＋著陸腿方式；美國“海盜”號、“鳳凰”號火星著陸器采用降落傘＋緩沖發(fā)動機(jī)反推＋著陸腿方式；美國“火星探路者”、“火星漫游者”采用降落傘以及氣囊彈跳方式；美國“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”采用降落傘＋緩沖發(fā)動機(jī)反推＋空中吊車方式。

“勇氣”號和“機(jī)遇”號火星車著陸時使用的氣囊，它使用了一種新型合成材料，可以在低溫的條件下保持性能

“好奇”號通過降落傘和空中起重機(jī)方式在火星表面著陸

“好奇”號在火星表面用激光進(jìn)行無接觸探測

猶如地質(zhì)學(xué)家的“機(jī)遇”號火星車準(zhǔn)備探測一塊火星巖石

月球車和火星車行駛的路況、環(huán)境等不同，所以它們在移動分系統(tǒng)（包括輪子）、導(dǎo)航控制分系統(tǒng)、有效載荷分系統(tǒng)等方面也不同。例如，月球車可采用地面遙控與自主控制相結(jié)合的辦法進(jìn)行巡視探測，而火星車需采用自主控制為主的辦法進(jìn)行巡視探測；月球自轉(zhuǎn)慢，且沒有大氣，其上的探測儀器可對宇宙天體進(jìn)行全波段連續(xù)觀測，而火星沒有這一優(yōu)勢；月球車如果落在月球背面，就必須依靠月球中繼衛(wèi)星與地球聯(lián)絡(luò)，而火星車不存在這個問題。

美國的火星車

蘇聯(lián)曾打算在1971年把兩輛火星車送到火星表面，但其中一輛墜毀，而另一輛著陸后僅20秒就出了故障。至今，只有美國成功研制、發(fā)射和運(yùn)行了三代火星車。通過了解它們，對其他國家未來研制火星車，有較大的參考作用。

1996年12月4日，美國成功發(fā)射了攜帶“旅居者”號火星車的“火星探路者”探測器。該探測器于在1997年7月4日成功采用降落傘加氣囊著陸裝置在火星表面登陸。這是人類首次把火星車送到火星表面。“旅居者”號火星車體積只有烤面包爐大小，僅重10千克，它用6個輪子在火星表面行駛，在火星上工作了83天?！奥镁诱摺碧柕能嚰軕覓煅b置使其能爬過小的巖石，速度約每分鐘1米。它攜帶了3臺相機(jī)和1臺阿爾法質(zhì)子X射線光譜儀，由車頂?shù)奶柲茈姵匕逄峁╇娏?，并依?臺放射性同位素加熱裝置來保持溫度。其6個輪子是鋁制的，其中前后4個輪子可獨(dú)立轉(zhuǎn)動。

分別在2004年的1月3日和24日著陸的“火星漫游者”攜帶的“勇氣”號和“機(jī)遇”號是美國第二代火星車。它們一模一樣，但在個頭和能力上都比“旅居者”號高出一籌：其大小與高爾夫球場的小車相似，重174千克；每臺火星車裝有9臺相機(jī)，其中全色相機(jī)所拍的彩色照片總像素達(dá)到1200萬，清晰度是此前人類拍攝的最好火星照片的3～4倍；設(shè)計(jì)的巡視距離是“旅居者”號的6～10倍，約600～1000米；行進(jìn)速度最高達(dá)每秒5厘米，平均速度約每秒1厘米；能爬45°以下的坡，并可以跨過大于25厘米輪直徑的障礙；攜帶了巖石鉆探工具和顯微成像儀；原設(shè)計(jì)壽命3個月，但“機(jī)遇”號現(xiàn)在還在工作。

由“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”攜帶的美國“好奇”號火星車于2012年8月6日安全著陸在火星。它是美國第三代火星車，其體積與小汽車相當(dāng)，質(zhì)量近900千克，長度約是第二代火星車的2倍，裝載的科學(xué)儀器質(zhì)量是是第二代的15倍，設(shè)計(jì)壽命為一個火星年(約687個地球日)?！盎鹦强茖W(xué)實(shí)驗(yàn)室”首次使用了空中吊車新型著陸技術(shù)在火星上軟著陸，并采用了核電源，因而大大增加了好奇號的著陸精度和使用壽命，能避免太陽電池被火星塵土覆蓋而影響發(fā)電效率。其6個輪子分別具有獨(dú)立的驅(qū)動馬達(dá)，能保證探測器在任何方向傾覆45°而不發(fā)生翻車。它可原地轉(zhuǎn)彎360°，越過直徑約為50厘米的坑，翻越約65～75厘米高的障礙物，在平整堅(jiān)硬的地面上行駛的最高速度為每秒4厘米，每天在火星表面累計(jì)行駛200米，總行駛范圍約為20千米。其機(jī)械臂可以完成拍攝圖像、打磨巖石、分析巖石和土壤組成等多種任務(wù)；桅桿上的激光探測器可在無接觸的情況下調(diào)查7米處的目標(biāo)物體成分，從而對火星上一些“死角”進(jìn)行考察。

由上述可見，空間探測技術(shù)水平最高的美國，在研制復(fù)雜的火星車方面也采取了循序漸進(jìn)的方式，這是符合科學(xué)規(guī)律的，值得我們思考和借鑒。

美國“鳳凰”號火星著陸器利用發(fā)動機(jī)反推著陸