□ 龐之浩

路漫漫其修遠(yuǎn)兮
——從月球車到火星車，我們還要走多久？

□ 龐之浩

2013年12月14日，嫦娥3號(hào)著陸器成功落在月球表面。它所攜帶的玉兔號(hào)月球車于12月15日駛上月面，使我國(guó)成為世界第二個(gè)掌握無(wú)人月球探測(cè)車技術(shù)的國(guó)家。至此，一些關(guān)心我國(guó)空間探測(cè)未來(lái)發(fā)展的航天愛好者馬上聯(lián)想到我國(guó)未來(lái)的火星車應(yīng)該是什么樣子，它能借鑒玉兔號(hào)的研制技術(shù)嗎？探測(cè)月球與探測(cè)火星有什么區(qū)別？要回答這個(gè)問(wèn)題，首先要了解月球和火星各自的概況，然后才能通過(guò)對(duì)比分析認(rèn)識(shí)它們的異同。

兩個(gè)星球，兩個(gè)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，飛往和著陸火星，面臨的是截然不同的挑戰(zhàn)。

月球以1.02千米/秒（368 3千米/小時(shí)）的速度，在稍扁的軌道上繞地球公轉(zhuǎn)，離地球有時(shí)近有時(shí)遠(yuǎn)，最近時(shí)約36萬(wàn)千米，最遠(yuǎn)時(shí)約40萬(wàn)千米，平均距離約為384400千米。而火星以橢圓軌道繞太陽(yáng)飛行，它與地球的最近距離約為5500萬(wàn)千米，最遠(yuǎn)距離則超過(guò)4億千米。大約每隔26個(gè)月就會(huì)發(fā)生一次火星沖日，地球與火星的距離在沖日期間會(huì)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)于地球質(zhì)量的1/81，所以引力小，其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)于地球質(zhì)量的11%，其表面重力約為月球的2.5倍、地球的4/10。

月球上沒(méi)有大氣，所以沒(méi)有風(fēng)雨陰晴的變化。在月球上無(wú)法靠對(duì)流的方式來(lái)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)1 30°C；晚上溫度會(huì)下降到－1 80°C左右，且月球的白天和夜晚各自長(zhǎng)達(dá)13.5天。

中國(guó)玉兔號(hào)月球車工作實(shí)景

火星有大氣，但非常稀薄，密度大約為地球的1%?；鹦浅嗟栏浇形鐣r(shí)溫度可達(dá)20℃，兩極最低溫度可達(dá)－1 40℃，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(gè)火星年里都要發(fā)生一次，最大可達(dá)地球1 2級(jí)臺(tái)風(fēng)的幾倍，而且一旦刮起來(lái)可持續(xù)三個(gè)多月。

由于月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期一樣，都是一個(gè)恒星月（27日7時(shí)43分1 1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(shí)37分，即火星上的一天幾乎和地球上的一樣長(zhǎng)。火星公轉(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(lái)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，因遭隕星襲擊地表坑洼不平。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(cuò)。它們主要集中在火星的赤道區(qū)域附近。

飛往火星，諸多不易

從上述對(duì)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(cè)等許多方面。例如：

復(fù)雜的研制周期和發(fā)射時(shí)間 月 球探測(cè)器基本每個(gè)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(gè)月才會(huì)相距較近，即每26個(gè)月才有一次發(fā)射窗口，所以在確定火星探測(cè)器的研制周期和發(fā)射時(shí)間方面要比月球探測(cè)器復(fù)雜。

更大推力的發(fā)射火箭 由于火星距離地球十分遙遠(yuǎn)，所以對(duì)發(fā)射火星探測(cè)器的火箭要求也比較高。月球探測(cè)器進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道的速度為10.9千米/秒。而火星探測(cè)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11.2千米/秒，以脫離地球引力。因此，發(fā)射同等質(zhì)量的月球探測(cè)器和火星探測(cè)器時(shí)，后者要求用推力更大的火箭。

更為復(fù)雜的測(cè)控通信 因?yàn)榛鹦翘綔y(cè)器飛往火星的的時(shí)間和距離比月球探測(cè)器飛往月球的的時(shí)間和距離長(zhǎng)得多，前者最快需8個(gè)月左右，后者最快只需四五天就能到達(dá)目的地，所以對(duì)火星探測(cè)器的測(cè)控要比對(duì)月球探測(cè)器的測(cè)控通信復(fù)雜得多。

好奇號(hào)在火星表面用激光進(jìn)行無(wú)接觸探測(cè)示意圖

超鏈接：復(fù)雜的火星探測(cè)器測(cè)控通信

1 傳輸信號(hào)衰減

由于測(cè)控通信的信號(hào)強(qiáng)度與距離的平方成反比，經(jīng)過(guò)幾億千米的路程，火星探測(cè)器傳回地球的信號(hào)變得十分微弱，并且宇宙空間存在著各種各樣的噪聲，很容易把傳輸信號(hào)淹沒(méi)掉。測(cè)控火星探測(cè)器，對(duì)探測(cè)器本身以及地面測(cè)控站都提出了很高的要求，它既要求火星探測(cè)器裝有高增益天線，也要求地面有天線直徑很大的深空測(cè)控站（天線的直徑和探測(cè)距離成正比，增大天線口徑可以增加探測(cè)距離）。近年，我國(guó)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(cè)控站（以前是18米），它們能滿足未來(lái)火星探測(cè)器的測(cè)控要求。

2 傳輸信號(hào)延時(shí)

由于距離地球遠(yuǎn)，火星探測(cè)器測(cè)控信號(hào)的傳輸延時(shí)很長(zhǎng)，單向就達(dá)15～20分鐘，而月球探測(cè)器測(cè)控信號(hào)的傳輸延時(shí)單向僅為1秒多，所以對(duì)火星探測(cè)器的遙測(cè)遙控比月球探測(cè)器更為復(fù)雜，并要求火星探測(cè)器要有更高的自主性。

3 飛行軌道修正

由于路途漫漫，火星探測(cè)器在飛往火星的途中要進(jìn)行比月球探測(cè)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(cè)器的出發(fā)速度有1米/秒的誤差，探測(cè)器飛到火星附近時(shí)就會(huì)有10萬(wàn)千米的偏差。

要求更高的太陽(yáng)電池翼 因?yàn)榛鹦翘綔y(cè)器遠(yuǎn)離太陽(yáng)，它所受到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大大減弱，所以火星探測(cè)器的太陽(yáng)電池翼性能需更高。另外，火星車的太陽(yáng)電池翼還要能經(jīng)受火星巨大沙塵暴的考驗(yàn)，美國(guó)第一代火星車，就是因?yàn)榛鹦巧硥m暴覆蓋了其太陽(yáng)電池翼而沒(méi)有開展更長(zhǎng)時(shí)間的探測(cè)工作。

嫦娥3號(hào)利用發(fā)動(dòng)機(jī)反推減速在月面軟著陸過(guò)程示意圖

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

火星軟著陸，恐怖七分鐘

由于月球沒(méi)有大氣，所以落月探測(cè)器不能依靠降落傘來(lái)減速進(jìn)行軟著陸，而只能靠自己的發(fā)動(dòng)機(jī)反推來(lái)減小下降速度，有人稱落月探測(cè)器著陸過(guò)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(wú)法依靠地面遙控，所以火星探測(cè)器切入火星軌道的難度相當(dāng)于從巴黎打一個(gè)高爾夫球，正好落到了日本東京的某個(gè)球洞里。在探測(cè)器切入火星軌道后，如果要在火星表面著陸，其過(guò)程類似于返回式衛(wèi)星，但技術(shù)難度大得多，因?yàn)檫b測(cè)和遙控信號(hào)十分微弱；另外，當(dāng)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)到火星背面時(shí)，地球無(wú)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(lái)困難。有一名美國(guó)科學(xué)家曾形容火星探測(cè)器著陸時(shí)的心情，就好像丈夫在產(chǎn)房外等待妻子分娩一樣。許多探測(cè)器都因此功虧一簣。1999年12月3日，美國(guó)“火星極區(qū)著陸器”在即將登陸火星表面時(shí)，由于軟件錯(cuò)誤導(dǎo)致其起減速作用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)早關(guān)閉，最終撞毀。2003年，歐洲獵兔犬2號(hào)著陸器在與火星“火星快車”軌道器分離，準(zhǔn)備在火星表面著陸時(shí)便失蹤了。

勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車著陸時(shí)使用的氣囊對(duì)在火星安全著陸有重要作用。它使用了一種新型合成材料，可以在低溫條件下保持良好的性能。

包裹在氣囊中的勇氣號(hào)火星車向火星表面著陸

空間探測(cè)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(jiǎn)單，成本低，但只能滿足重量小的探測(cè)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。前蘇聯(lián)月球車1號(hào)、2號(hào)、美國(guó)阿波羅登月飛船和我國(guó)嫦娥3號(hào)月球探測(cè)器采用緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推＋著陸腿方式；美國(guó)海盜號(hào)、鳳凰號(hào)火星著陸器采用降落傘＋緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推＋著陸腿方式；美國(guó)“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(guó) “火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”采用降落傘＋緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推＋空中吊車方式。

在地外星球著陸后也不是萬(wàn)事大吉。因?yàn)榛鹦堑闹亓Ρ仍虑虼笤S多，火星的氣候、表面的環(huán)境、行駛的路況也與月球千差萬(wàn)別，所以在火星車的設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)等方面，都與月球車有許多不同，其中在某些方面月球車難度可能更大，例如：

由于沒(méi)有大氣以及月球自轉(zhuǎn)慢，月夜有長(zhǎng)達(dá)1 3.5天的－1 80℃超低溫，所以落月探測(cè)器的熱控系統(tǒng)比較復(fù)雜。而火星車就不會(huì)遇到這種惡劣的溫度環(huán)境，但它要經(jīng)受火星沙塵暴的考驗(yàn)。

月球車和火星車行駛的路況、環(huán)境等不同，所以它們?cè)谝苿?dòng)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(cè)，而離地球遙遠(yuǎn)的火星車需采用自主控制為主的辦法進(jìn)行巡視探測(cè)；月球自轉(zhuǎn)慢，且沒(méi)有大氣，其上的探測(cè)儀器可對(duì)宇宙天體進(jìn)行全波段連續(xù)觀測(cè)，而火星沒(méi)有這一優(yōu)勢(shì)；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(gè)問(wèn)題。

總之，雖然月球車和火星車有一些相同之處，研制時(shí)可以進(jìn)行一定的相互借鑒，但由于它們所探測(cè)的星球有很大的不同，因此在設(shè)計(jì)時(shí)差別很大，各有各的難處，似乎火星車的研制和運(yùn)行更難，這也是一般都是先探月、后探火的原因吧。

好奇號(hào)通過(guò)降落傘和空中起重機(jī)方式在火星表面著陸

前車之鑒，后事之師

前蘇聯(lián)曾打算在1 971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(guó)成功研制、發(fā)射和運(yùn)行了三代火星車。通過(guò)了解它們，對(duì)其他國(guó)家未來(lái)研制火星車，有較大的參考作用。

利用降落傘在火星著陸示意圖

美國(guó)鳳凰號(hào)火星著陸器利用發(fā)動(dòng)機(jī)反推著陸

旅居者號(hào)火星車

1 996年1 2月4日，美國(guó)成功發(fā)射了攜帶旅居者號(hào)火星車的“火星探路者”探測(cè)器。該探測(cè)器于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(hào)火星車體積只有烤面包爐大小，僅重10千克，它用6個(gè)輪子在火星表面行駛，在火星上工作了83天。旅居者號(hào)的車架懸掛裝置使其能爬過(guò)小的巖石，設(shè)計(jì)速度為40厘米/秒～1厘米/秒。它攜帶了3臺(tái)相機(jī)和1臺(tái)阿爾法質(zhì)子X(jué)射線光譜儀，由車頂?shù)奶?yáng)能電池板提供電力，并依靠3臺(tái)放射性同位素加熱裝置來(lái)保持溫度。其6個(gè)輪子是鋁制的，其中前后4個(gè)輪子可獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(hào)和機(jī)遇號(hào)是美國(guó)第二代火星車。它們一模一樣，但在個(gè)頭和能力上都比旅居者號(hào)高出一籌。例如，其大小與高爾夫球場(chǎng)的小車相似，重174千克；每臺(tái)火星車裝有9臺(tái)相機(jī)，其中全色相機(jī)所拍的彩色照片總像素達(dá)到120 0萬(wàn)，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(hào)的6～1 0倍，約600～1 000米；行進(jìn)最高速度是5厘米/秒（平均速度約1厘米/秒）等；能爬45°以下的坡，并可以跨過(guò)大于輪直徑（25厘米）的障礙（如巖石）或洞；攜帶了巖石鉆探工具和顯微成像儀；原設(shè)計(jì)壽命3個(gè)月，但機(jī)遇號(hào)現(xiàn)在還在工作。

由“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”攜帶的美國(guó)好奇號(hào)火星車于2012年8月6日安全著陸火星。它是美國(guó)第三代火星車，其體積與小汽車相當(dāng)，質(zhì)量將近900千克，長(zhǎng)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1 5倍，設(shè)計(jì)壽命為一個(gè)火星年(約687個(gè)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(hào)的著陸精度和使用壽命，能避免太陽(yáng)電池被火星塵土覆蓋而影響發(fā)電效率。其6個(gè)輪子分別具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，能保證探測(cè)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(guò)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4厘米/秒，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(cè)器可在無(wú)接觸的情況下調(diào)查7米處的目標(biāo)物體成分，從而對(duì)火星上一些“死角”進(jìn)行考察。

由上述可見，空間探測(cè)技術(shù)水平最高的美國(guó)，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。

（責(zé)任編輯 張恩紅）