文／本刊記者 陳 杰

火星是地球的鄰居，但這個鄰居并不算“近鄰”。地球到月球的平均距離為38萬公里，但地球和火星之間的距離最遠達到4億公里。人類火星探測進行了60年，所有探測成功率僅一半左右，難度可想而知。

作為我國首次執(zhí)行火星探測任務(wù)，目標是通過一次發(fā)射實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測三大任務(wù)。中國科學院國家天文臺研究員鄭永春表示，既有軌道器環(huán)繞火星，又有著陸器登陸火星，還有火星車巡視火星表面，這種“繞著巡”三合一的探測方式，技術(shù)將更復雜，任務(wù)難度也更大。

根據(jù)計劃，“天問一號”探測器將于2021年2月11—24日環(huán)繞火星運行，并于2021年4月23日降落一臺火星車到火星表面，進行時長90天的探索工作。

繞 環(huán)繞器切入火星軌道要精準

從理論上看，向火星發(fā)射探測器并沒有時間限制，但由于人類的火箭技術(shù)約束，發(fā)射探測器只能在火星沖日大約數(shù)月前發(fā)射。

在“天問一號”火星探測器發(fā)射升空后，會先在地球附近加速，進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道利用慣性保持飛行，慣性飛行過程中不需要消耗燃料。等到達火星軌道時，探測器會“剎車”降低速度，最終被火星捕獲。這就是本次火星探測任務(wù)第一階段的目標：環(huán)繞火星飛行。

若想成功進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，對火箭的運載能力和入軌精度有很高的要求。月球探測器進入地月轉(zhuǎn)移軌道所需的速度是每秒10.9千米，而火星探測器進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道的速度至少要達到第二宇宙速度每秒11.2千米。

“因此，這次發(fā)射任務(wù)使用了新一代運載火箭中推力最大的長征五號運載火箭。在成功進入太空后，整流罩中的火星探測器會與火箭‘星箭分離’，獨自飛向火星，這段旅程大概需要6-7個月?！比珖臻g探測技術(shù)首席科學傳播專家龐之浩表示，如果一切順利，探測器預(yù)計于明年2月左右到達火星引力勢場內(nèi)，切入火星軌道，被火星捕獲。這個捕獲的階段非常關(guān)鍵：在切入火星軌道時，如果切入點離火星太近，探測器可能會墜毀；如果太遠，探測器可能無法被引力捕獲而掠過火星。

若能成功切入火星軌道，再經(jīng)過多次調(diào)整，環(huán)繞器就可以進行環(huán)繞探測了。

落 恐怖7分鐘考驗著陸器自主能力

在成功切入火星軌道后，“天問一號”將迎來本次火星探測任務(wù)的第二個階段，也是最大的難點——火星著陸?；鹦翘綔y器需要將每秒4.8千米的超高速，減到火星著陸時的0，這個過程只有7分鐘左右。

“火星探測最大的難點是在火星著陸，探測器要經(jīng)歷入軌、下降與著陸過程，這一過程通常被稱為恐怖7分鐘?！饼嬛票硎荆诨鹦窍”〉拇髿猸h(huán)境下需要用7分鐘將探測器速度從2萬千米/小時降低到零，這需要包括氣動減速、降落傘減速和反推減速等多種減速手段融合實現(xiàn)，每個環(huán)節(jié)都必須精準無誤，其難度不亞于“在巴黎打一個高爾夫球要落到東京的一個洞里”。

據(jù)悉，“天問一號”任務(wù)計劃采用的減速方式將分為四個階段進行。第一個階段是氣動減速段，探測器會踩下“急剎車”，在大約290秒內(nèi)將速度從每秒4.8千米迅速降低到每秒460米。接下來探測器將打開降落傘，在大約90秒后，速度會降到約每秒95米。隨后進入第三個階段——動力減速段，探測器的反推發(fā)動機開始工作，在80秒內(nèi)將速度降到每秒3.6米以下。當探測器距離火星表面約100米高時，就進入了最后的著陸緩沖段，探測器準備開始懸停避障。此時探測器的速度已經(jīng)很慢了，探測器會自主觀察火星表面，快速計算出最佳著陸點。最終它將水平移動到該點上方，伸出“四條腿”，并在穩(wěn)定著陸后展開舷梯釋放火星車。

降落任務(wù)的最大優(yōu)勢是能仔細研究火星表面的各種細節(jié)，尤其是對水、氣象、底部大氣、土壤成分、地表地貌、潛在有機物和深層土壤的研究。

火星降落最典型特點是著陸系統(tǒng)需要完全自主導航控制完成著陸之旅。標準的火星著陸過程持續(xù)時間僅7分鐘左右，遠不夠完成一次地火通訊，這意味著全程多個復雜的動作必須依靠著陸器自主完成，對軟件和硬件的要求極高。

巡 惡劣環(huán)境挑戰(zhàn)火星車生存能力

如果探測器著陸一切順利，接下來的火星探測工作就要看巡視器了。

巡視器又名火星車，它相比不能移動的著陸器而言，最大優(yōu)勢在于可以隨處移動，意義不言而喻。由于不帶有固定著陸器必須攜帶的推進劑儲罐、著陸腿、支撐結(jié)構(gòu)、控制機構(gòu)等復雜部分，巡視器可以集中于科研載荷，從事多地點多方面的精細研究。

當然，巡視器想要順利開展工作也并非易事。“火星上的沙塵暴很大，是地球上12級臺風造成影響的6倍，這些飛沙會覆蓋火星車的太陽能電池板，致使其無法正常工作。歷史上，美國第一代和第二代火星車都是受沙塵暴影響而停止工作的。”龐之浩表示，這就需要充分提高能源的利用率，包括高效太陽能電池技術(shù)及高效蓄電池技術(shù)，提高能源系統(tǒng)功率質(zhì)量比，如太陽能電池板盡量要大一些，光電轉(zhuǎn)換效率要更高。

除此之外，火星車的移動也面臨許多不確知的環(huán)境影響，主要表現(xiàn)在我們對火星表面構(gòu)造的力學特性還知之甚少，這些特性直接跟火星車的移動能力相關(guān)；火星表面石塊分布密集，自主行駛的火星車被石塊卡滯的風險不??；火星常態(tài)化的沙塵天氣會讓火車車更易發(fā)生車輪卡死情況；火星表面的石塊環(huán)境對車輪輪緣的強度、耐磨性提出更高要求。

近些年來，火星車成為火星探測的核心，復雜程度越來越高，待機工作時間也越來越長。“天問一號”火星車的設(shè)計壽命為90個火星日（一火星日約為24小時40分鐘），將成為中國航天者向太空發(fā)問的第一步，也是中國航天走向深空的里程碑。

火星是太陽系中與地球環(huán)境最為相似的行星，了解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要價值，也對人類拓展生存空間具有重要意義。如果“天問一號”探測任務(wù)成功完成，將為我們提供關(guān)于火星的大量全新信息。從科學上講，“天問一號”是對火星形態(tài)、地質(zhì)學、礦物學、空間環(huán)境、土壤和水冰分布等進行研究的最全面的任務(wù)。