柯譜

2016年8月23日，我國首次公布了中國第一個火星探測器和火星車外觀設(shè)計構(gòu)型。2020年，我國首次火星探測將一次完成“環(huán)繞、著陸、巡視”三個探測任務(wù)，這在世界火星探測史上是前所未有的。此前，只有美國海盜號火星探測器一次實現(xiàn)了“環(huán)繞、著陸”兩個探測目標(biāo)。

目前，我國已通過嫦娥1號、2號完成了對月球的“環(huán)繞”探測任務(wù)，通過嫦娥3號完成了對月球的“著陸、巡視”探測任務(wù)，所以有不少航天愛好者會問，我國的火星車能否借鑒玉兔號月球車的研制技術(shù)？探測月球與探測火星有什么區(qū)別？要回答這些問題，首先需要了解的是月球和火星各自的概況。

不一樣的星球

雖然月球與火星都是地外星球，但它們有很多不同之處。

月球以1.02千米/秒的速度，在稍扁的軌道上繞地球公轉(zhuǎn)，離地球時近時遠(yuǎn)，最近時約36萬千米，最遠(yuǎn)時約40萬千米，平均距離約為38.44萬千米。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。

月球是地球唯一的一顆天然衛(wèi)星，其質(zhì)量相當(dāng)于地球質(zhì)量的1/81，所以引力較小，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%，其表面重力約為地球的4/10。

月球上沒有大氣，所以沒有風(fēng)雨變幻，無法靠對流的方式來傳遞熱量，這使得月球的晝夜溫差高達(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，密度大約只有地球的1%?；鹦浅嗟乐形鐣r可達(dá)20℃，兩極最低溫度-140℃。巨大沙塵暴是火星大氣中獨有的現(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)3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。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。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。而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，還有許多遭隕星襲擊后形成的坑坑洼洼?；鹦亲钜俗⒛康氖歉珊缘暮哟捕噙_(dá)數(shù)千條，蜿蜒曲折、縱橫交錯，且主要集中在赤道區(qū)域附近。

不一樣的路程

不難看出，月球和火星大相徑庭，而這些差異直接決定了月球車和火星車的差異。

由于距離遠(yuǎn)，對發(fā)射火星探測器的火箭要求也比較高。月球探測器進入地月轉(zhuǎn)移軌道的速度為10.9千米/秒。而火星探測器要進入地火轉(zhuǎn)移軌道的速度必須達(dá)到第2宇宙速度才行，即11.2千米/秒。因此，發(fā)射同等質(zhì)量的月球探測器和火星探測器時，后者要求用推力更大的火箭。

火星探測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，前者最快一般需約7個月，后者最快只需四五天，所以對火星探測器的測控通信要比對月球探測器的測控通信復(fù)雜得多。

同樣的一個信號，從月球發(fā)射到地球接收和從火星發(fā)射到地球接收要差100萬倍。正因此，測控火星探測器對探測器本身以及地面測控站都提出了更高的要求，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。

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)15～25分鐘，而月球探測器測控信號的傳輸延時單向僅為1秒多，對火星探測器的遙測遙控比月球探測器更為復(fù)雜，要求火星探測器有更高的自主性。

由于路途漫漫，火星探測器在飛往火星的途中，要進行比月球探測器次數(shù)更多、更精確的軌道修正才行。如果火星探測器在地火轉(zhuǎn)移軌道近地點有1米/秒的速度誤差或1千米的高度誤差，飛到火星附近時都將產(chǎn)生10萬千米的位置誤差。

因為火星探測器遠(yuǎn)離太陽，它所受到的太陽輻射強度大大減弱，其太陽電池翼性能必須更高。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。

現(xiàn)在，我國火星探測面臨的難題是要一次完成“環(huán)繞、著陸、巡視”，而不能像“嫦娥工程”或國外大多數(shù)火星探測那樣，先發(fā)射軌道器幫助選擇合適的著陸地點，再發(fā)射著陸器在選好的著陸點著陸。這就需要事先掌握、分析其它火星探測器拍攝的大量火星圖片和研究成果，從中選擇幾個候選著陸地點;然后通過我國火星環(huán)繞器發(fā)回的圖像，最終確定著陸地點。

著陸“恐怖7分鐘”

月球沒有大氣，落月探測器不能依靠降落傘來減速進行軟著陸，而只能靠自己的發(fā)動機反推來降低下降速度，有人稱落月探測器著陸過程為“黑色700秒”。似乎在月表著陸比在有大氣的火星表面著陸更難。

其實，在火星上著陸同樣不容易，要經(jīng)歷“恐怖7分鐘”。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，因為遙測和遙控信號十分微弱;同時，當(dāng)探測器運動到火星背面時，地球無法準(zhǔn)確地確定其軌道參數(shù)，這就給探測器再入高度的選擇帶來困難，許多探測器都因此功虧一簣。

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。每種方案都各有優(yōu)缺點。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。

月球沒有空氣，蘇聯(lián)月球車1號、2號，美國“阿波羅”登月飛船和我國嫦娥3號月球探測器等，都采用緩沖發(fā)動機反推+著陸腿的方式?；鹦巧嫌锌諝猓诨鹦巧现憰r都要使用降落傘來減速，例如，美國海盜號、鳳凰號火星著陸器采用降落傘+緩沖發(fā)動機反推+著陸腿的方式;美國“火星探路者”“火星漫游者”采用降落傘+氣囊彈跳的方式;美國“火星科學(xué)實驗室”采用降落傘+緩沖發(fā)動機反推+空中吊車的方式。

據(jù)悉，我國2020年發(fā)射的火星著陸器-巡視器組合體，將采用降落傘+緩沖發(fā)動機反推+著陸腿的方式，具體來說就是經(jīng)過氣動外形減速、降落傘減速、反推發(fā)動機減速，展開著陸腿，緩沖著陸到火星表面。其可能的原因是：我國的巡視器即火星車質(zhì)量較大，為200多千克;我國有嫦娥3號在月球著陸的先進技術(shù)和經(jīng)驗可以借鑒，其中的懸停、避障技術(shù)居世界領(lǐng)先。

（劉姿彤薦自《人民周刊》）

責(zé)編：Ester