探測火星不是件容易的事，可是人類對火星的熱情卻從未熄滅。2019年全國兩會(huì)期間，全國政協(xié)委員、中國探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁透露，2020年我國將發(fā)射探測器，實(shí)現(xiàn)對火星的環(huán)繞、著陸和巡視探測。

中國火星探測任務(wù)工程總設(shè)計(jì)師張榮橋表示，首次火星探測任務(wù)一步實(shí)現(xiàn)“繞”“落”“巡”，這在國際上前所未有，難度極大。面對艱巨的挑戰(zhàn)，我們準(zhǔn)備好了嗎？

移居火星困難重重

移居火星是人類的遠(yuǎn)大夢想，也注定了荊棘叢生。第一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何把人安全送往火星并安全返回。“目前，人類發(fā)射火星探測器成功率低，現(xiàn)階段沒有哪個(gè)國家有把握將人安全送上火星并返回。”專家說。

此外，載人登陸火星目前還面臨技術(shù)難題。由于飛往火星單程至少7個(gè)月，要攜帶大量的生命保障資源，需要更強(qiáng)大的火箭和飛船。對執(zhí)行任務(wù)的航天員來說，長期飛行會(huì)導(dǎo)致肌肉萎縮、骨質(zhì)脫鈣，輻射也會(huì)對身體造成影響。

到達(dá)火星后如何生存，也是一道難以邁過的坎。

“怎么適應(yīng)火星的氣溫？你在火星上是蹦還是跳？如何轉(zhuǎn)化能量實(shí)現(xiàn)自給自足？火星上只有微弱的剩磁，太陽粒子毫無忌憚地打到火星表面，人怎么防護(hù)？和地球之間的通訊有延遲怎么辦？火星基地的內(nèi)部是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，外部卻是0.1個(gè)大氣壓，對基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性和可靠性要求極高?！睂＜艺f，我們能想到的任何一點(diǎn)在火星上都很困難。

模擬火星環(huán)境尋找答案

為了提前應(yīng)對這些移居火星的難題，科學(xué)家想出了各種模擬火星環(huán)境的方法。直接選擇地球上的某個(gè)區(qū)域模擬火星環(huán)境是其中之一。比如在南極、北極圈、冰島，或在美國的莫哈維沙漠、南美洲的阿塔卡瑪沙漠模擬火星等。

專家說，中國的柴達(dá)木盆地很適合火星模擬?！安襁_(dá)木盆地緯度高、溫差大、紫外線強(qiáng)，到處都是鹽湖，大氣稀薄、表面干燥，且土壤偏堿性，環(huán)境與火星十分相似?！?/p>

還有一種是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行火星模擬，比如位于美國加州帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和位于英國赫特福德郡的火星任務(wù)模擬場。這種模擬通常有較明確的科學(xué)目的。專家介紹，如果要模擬火星上的沙丘移動(dòng)，就需要在地球上建一個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。在風(fēng)洞中要盡量呈現(xiàn)火星表面的環(huán)境，如晝夜溫差、大氣含量和成分、物質(zhì)組成、風(fēng)速等。還有人模擬火星上的物質(zhì)反應(yīng)，這就需要假設(shè)發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)成分，反應(yīng)時(shí)的溫度以及反應(yīng)時(shí)間長短等。

專家表示，模擬火星環(huán)境有多方面的意義。從工程上講，我們能在模擬火星環(huán)境中測試探測器樣機(jī)的性能，如車輪、爬坡能力等，還可以測試科學(xué)載荷的性能以及宇航員在極端環(huán)境中的身體和心理變化等?！皣H空間站的航天員一般只在太空待半年左右，往返火星所需的時(shí)間可比這長多了，對航天員的心理和生理都是非常大的考驗(yàn)，身體也會(huì)因?yàn)殚L時(shí)間的深空輻射受影響?！睂＜艺f。

研究火星表面的地質(zhì)演化也是如此。“目前我們只能看到物質(zhì)演化后的結(jié)果，由于這種演化和當(dāng)時(shí)的環(huán)境是一種耦合關(guān)系，要揭示它就需要在實(shí)驗(yàn)中模擬?！睂＜冶硎?。

首次火星探測充滿挑戰(zhàn)

每隔兩年，全球都會(huì)迎來一次火星探測小高潮。為何大家都選擇2020年探測火星？這是因?yàn)?，根?jù)地球與火星位置關(guān)系，每26個(gè)月火星會(huì)有一次距離地球最近的機(jī)會(huì)，這也是發(fā)射火星探測器的最佳時(shí)間窗口。在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)射火星探測器，將節(jié)省大量燃料，縮短抵達(dá)的時(shí)間。2020年就將迎來一個(gè)窗口期，大約1個(gè)月。如果把握不好這次機(jī)會(huì)，就只能再等兩年。

中國首次探測便要實(shí)現(xiàn)“繞”“落”“巡”三大任務(wù)，面臨巨大挑戰(zhàn)。所謂“繞”，是指在一定距離的軌道上繞著火星飛行，對火星表面的情況進(jìn)行普查。“落”和“巡”是指在火星上特定的區(qū)域進(jìn)行著落，讓著陸器帶著的火星車對火星表面局部地區(qū)進(jìn)行巡視和詳查。在較高的技術(shù)起點(diǎn)上，盡管一次發(fā)射完成多項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)比較大，但如果成功，效益也比較高。

據(jù)悉，此前只有美國在一次火星任務(wù)中同時(shí)完成“繞”和“落”，歐洲曾兩次嘗試“繞”和“落”，都以失敗而告終。中國計(jì)劃在一次火星任務(wù)中完成“繞”“落”“巡”，難度可想而知。

迄今為止，世界各國至少舉行了46次火星探測活動(dòng)，其中只有20.5次取得成功，成功率不足45%，火星因此有“航天器墳場”之稱，而最危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)在于進(jìn)入火星軌道和著陸兩個(gè)階段。

與飛行相比，探測器在火星下降著陸的難度更大，過去許多探測器都在這一階段功虧一簣。什么時(shí)候“剎車”進(jìn)入火星軌道，進(jìn)入軌道的角度是多少，何時(shí)打開降落傘，何時(shí)切斷降落傘……每個(gè)環(huán)節(jié)都可謂步步驚心，都需要精準(zhǔn)計(jì)算、毫秒不差。

專家說，進(jìn)入火星大氣時(shí)，探測器能接收到的遙測信號(hào)十分微弱；當(dāng)它運(yùn)行到火星背面時(shí)，在地球上無法準(zhǔn)確獲取其軌道參數(shù)；通信延時(shí)也會(huì)造成很大影響。因此火星著陸過程完全需要探測器自主完成，整個(gè)過程被稱為“恐怖7分鐘”。

火星探測與月球探測最大的不同就在于距離的懸殊。地月平均距離為38萬千米，而地火最近距離為5 500萬千米，最遠(yuǎn)為3億～4億千米，這對測控能力有極高的要求。曾有人這樣比喻：讓火星探測器精準(zhǔn)著陸，相當(dāng)于從巴黎擊出一只高爾夫球，落在東京的一個(gè)洞里。

探月工程為火星探測奠定基礎(chǔ)

雖然火星探測的難度非常大，但是中國已經(jīng)做了大量準(zhǔn)備工作，數(shù)次成功的探月任務(wù)也奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

首先，發(fā)射火星探測器需要大推力運(yùn)載火箭，我國長征五號(hào)火箭已經(jīng)具備這樣的能力。它是目前我國推力最大的運(yùn)載火箭，可將火星探測器直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道。

其次，針對超遠(yuǎn)距離的測控，我國已經(jīng)建成深空測控站，并在嫦娥二號(hào)拓展任務(wù)中實(shí)現(xiàn)了超過1億千米的測控。北京航天飛行控制中心副主任李劍曾表示，我國已具備上億千米深空測控的能力，完全能支持火星探測。

再次，探月取得的成功，幫助中國在著陸、巡視技術(shù)等領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

我國首個(gè)火星探測器將搭載13臺(tái)科學(xué)載荷，將探測火星的形貌、土壤、環(huán)境、大氣，研究火星上的水冰分布、物理場和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

專家介紹，火星大氣密度僅為地球的百分之一，著陸器進(jìn)入大氣后，以20 000千米/小時(shí)的速度“撞”向火星，需要通過氣動(dòng)外形、降落傘、反推發(fā)動(dòng)機(jī)等多種措施逐級(jí)減速，才能安全著陸。

專家透露，我國火星探測器已完成氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，以及氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱設(shè)計(jì)工作，正在進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，我國于2016年首次完成了縮比火星降落傘高空開傘試驗(yàn)，驗(yàn)證了降落傘的充氣性能，獲取了降落傘氣動(dòng)力數(shù)據(jù)。

應(yīng)該說，在探測火星方面，我國還是“新生代”。不過，十多年來我國開展了5次探月活動(dòng)，全部取得成功，對深空探測領(lǐng)域的軌道設(shè)計(jì)、探測器自主導(dǎo)航控制、深空測控通信等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

這次火星探測任務(wù)能否成功，我們還需拭目以待。如果成功，它將成為我國繼探月之后深空探測任務(wù)的“敲門磚”。在完成火星探測的“繞”“落”“巡”之后，我國計(jì)劃在2028年左右發(fā)射火星采樣返回器。通過對采回的火星樣品進(jìn)行研究，可以了解火星上是否有水、生物、特殊物質(zhì)等，最終實(shí)現(xiàn)對火星從全球普查到局部詳查、著陸就位分析，再到樣品實(shí)驗(yàn)室分析的科學(xué)遞進(jìn)，同時(shí)為載人登火星作準(zhǔn)備。

2020年夏天 火星更“火”

2020年除了我國會(huì)發(fā)射火星探測器外，還有其他國家或組織的火星探測器將登陸火星，它們分別是美國的“火星2020”漫游車，歐洲和俄羅斯聯(lián)合制作的“羅莎琳德·富蘭克林”漫游車，還有阿聯(lián)酋的“希望”號(hào)火星探測器。

“火星2020”漫游車

NASA研制的汽車大小的“火星2020”漫游車將于2020年7月17日起飛，2021年2月登陸火星。

“火星2020”預(yù)計(jì)會(huì)在火星上工作至少一個(gè)火星年，大約687天。在那期間，它將尋找古代火星生命的跡象，并收集和儲(chǔ)存樣本，以便將來帶回地球。“火星2020”還將演示利用火星大氣（主要是二氧化碳）生產(chǎn)氧氣的新技術(shù)，這對于探索火星的宇航員至關(guān)重要。

此外，“火星2020”還將攜帶一架小型無人駕駛直升機(jī)，它最多將在火星大氣層進(jìn)行5次短程飛行，這一開創(chuàng)性舉動(dòng)如果成功，將具有重大意義。

火星直升機(jī)飛行控制和空氣動(dòng)力學(xué)負(fù)責(zé)人哈弗德·格爾德表示，可以設(shè)想未來使用多架直升機(jī)進(jìn)行區(qū)域勘探，或者使用小型直升機(jī)前往漫游車難以到達(dá)的地區(qū)或生物敏感地區(qū)。

“羅莎琳德·富蘭克林”漫游車

如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，歐洲和俄羅斯攜手研制的“羅莎琳德·富蘭克林”漫游車將于2020年7月25日發(fā)射升空，2021年2月降落火星表面，尋找火星生命跡象并執(zhí)行各種任務(wù)。

歐-俄“火星太空生物”任務(wù)原本有三部分：一個(gè)軌道飛行器、一個(gè)名為“斯基亞帕雷利”的著陸器和“羅莎琳德·富蘭克林”漫游車。著陸器和軌道器于2016年一起前往火星。但令人遺憾的是，當(dāng)軌道飛行器在進(jìn)入火星軌道時(shí)，著陸器或由于軟件錯(cuò)誤墜向火星表面。

歐洲航天局希望“羅莎琳德·富蘭克林”火星車任務(wù)更加成功。目前，這一六輪太陽能漫游車正在英國建造，將配備攝像頭、地面穿透雷達(dá)和機(jī)載實(shí)驗(yàn)室以分析巖石樣本，特別重要的是尋找火星上的生命跡象。

“希望”號(hào)火星探測器

據(jù)報(bào)道，阿聯(lián)酋的“希望”號(hào)火星探測器計(jì)劃于2020年7月中期發(fā)射，2021年第一季度抵達(dá)火星軌道。

“希望”號(hào)火星探測器的主要任務(wù)是研究火星大氣和環(huán)境，以及火星液態(tài)水消失的原因。該探測器計(jì)劃搭乘日本的H-2A火箭，在日本種子島宇宙中心發(fā)射升空。

據(jù)悉，阿聯(lián)酋此前提出2117年前要在火星建造第一個(gè)適合人類居住的城市，迪拜目前正在建造模擬火星生活條件的“火星科學(xué)城”。

此外，還有“好奇”號(hào)漫游車、“洞察”號(hào)著陸器，以及火星奧德賽、火星快車、火星勘測軌道飛行器、火星軌道器任務(wù)、火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)、火星微量氣體軌道探測器正對火星展開24小時(shí)全天候不間斷地觀測。這些探測器將為我們揭開籠罩在火星頭上的神秘面紗。了解火星，其實(shí)也是了解我們自己。