林來興（北京控制工程研究所）

1 引言

太陽系的八大行星中，只有火星與地球很相似，它的直徑是地球的53%，質(zhì)量為地球的11%。值得注意的是，火星的自轉(zhuǎn)周期以及自轉(zhuǎn)軸傾角和地球差不多，火星與地球很像是“孿生兄弟”。但是，目前的火星卻是一個地表滿是沙丘、礫石的沙漠行星?；鹦羌炔粶嘏膊粷駶?，沙塵暴也常年發(fā)生,和地球的地質(zhì)活動相比，火星顯得很平淡。現(xiàn)在的很多隕石坑或者峽谷都是在遠古時期形成的，但就是這樣一個紅色的行星，人類偏偏喜歡和它“親近”。根據(jù)目前科學家的發(fā)現(xiàn)，大約在幾億年前，火星的環(huán)境和現(xiàn)在的地球類似，河流、湖泊以及海洋一應俱全。但是不知是何原因，火星變成了如今這副貧瘠的模樣。[1]如果人們可以找出火星環(huán)境改變的原因，那么對于人類的生存也將具有重大意義。另一方面，對今天擁有高度發(fā)達科技的地球人，能否改善火星狀態(tài)，把它變成第二個地球，例如火星地球化（火星加熱，提高大氣濃度，種草，種樹等），需要幾個世紀不斷的努力。

為此，我們對60年來全球火星探測發(fā)展所取得的成績和寶貴經(jīng)驗進行簡要的客觀評價，并以積極的態(tài)度、科學的精神漸行前進，有計劃地對今后發(fā)展做個較為系統(tǒng)而全面的展望。

2 火星探測器發(fā)展簡述

發(fā)射火星探測器成功與失敗概率及其主要原因分析

我們將60年來發(fā)射火星探測器的歷程分為前期與后期兩部分：

（1）前期（1960－1989年）

這一階段歷經(jīng)近30年,全球共實施了25次火星探測任務(wù),其中失敗14次,成功6次,部分成功5次。失敗率為56%,完全成功率為24%。[2-3]經(jīng)過研究分析,失敗的主要原因如下：

1）初期人們對火星情況了解較少,有些甚至停留在天文學水平；

2）在冷戰(zhàn)期間,以政治目的為需要,爭取第一,有些任務(wù)急忙上馬,在條件不完全具備的情況下也執(zhí)行發(fā)射任務(wù)；

3）初始期間發(fā)射火星探測器的有關(guān)技術(shù)水平較低,例如,火箭發(fā)射能力與質(zhì)量,遙遠距離測控水平與能力等。

（2）后期（1990－2020年）

從1990年到2020年這30年,全球共實施了22次火星探測任務(wù)(其中3個于2020年發(fā)射，現(xiàn)正在途中), 其中失敗6次,成功14次,部分成功2次。完全成功率為64%,失敗率為27%。[3]由此可見,成功率與失敗率前后兩個階段正好相反。經(jīng)過研究分析,后期任務(wù)成功的主要原因如下：

1）前期所缺少的3個因素在后期都逐漸克服,并且探測器在數(shù)量與質(zhì)量方面都有極大提高,從而具備成功基本條件；

2）積極開發(fā)應用星載計算機與軟件,提高系統(tǒng)可靠性、自主性和智能技術(shù),以適應遙遠的近億千米距離的測控操作；

3）開展了大量應用地面仿真實驗驗證,從系統(tǒng)到關(guān)鍵部件與機構(gòu),采用各種仿真方法(數(shù)學和物理)進行試驗驗證,所有產(chǎn)品和系統(tǒng)都必須通過仿真驗證才能出廠,保證了產(chǎn)品和系統(tǒng)的性能和可靠性。

概括分析60年來火星探測器的發(fā)展，除了成功率提高以外，探測能力也有所提升，增加了火星車表面巡視多種探測手段，以及取樣貯存等，這說明火星探測器發(fā)展是漸進的。

60年來，火星探測器成功與部分成功所占比例為58%,這相比于地球軌道衛(wèi)星來說是很低的,但是對近億千米距離的火星來說,是中等偏低水平,為此今后還應繼續(xù)努力。

火星探測的關(guān)鍵階段和關(guān)鍵技術(shù)

（1）關(guān)鍵階段

火星探測器從地球到火星，飛行距離近億千米，歷時約200天，可以劃分為如下4個關(guān)鍵階段，確保探測器安全經(jīng)過關(guān)鍵階段是成功的必要條件。

1）地火轉(zhuǎn)移軌道階段。地球軌道轉(zhuǎn)到火星軌道最佳方案為霍曼變軌,燃耗最小,火箭在此時刻發(fā)射入軌。太陽和地球之間畫一條連線，太陽和火星之間畫一條線，這兩條線之間的夾角達到44°，這就是探測器和火星相遇的最佳時間點。在限定的發(fā)射窗口內(nèi)將探測器送入地火轉(zhuǎn)移軌道是任務(wù)成功的第一步，這個階段任務(wù)的關(guān)鍵就是保證地火軌道的飛行精度。

2）捕獲火星軌道階段。探測器達到火星附近要進行軌道捕獲，利用發(fā)動機進行減速制動。若速度降得不夠多，探測器將飛離火星。速度降得過大，可能直接撞擊到火星表面或者進入大氣層燒毀。

3）進入下降著陸（EDL）階段。火星探測器速度要由4～6km/s迅速降到接近0（軟著陸)，而且這段時間僅有7～8min，是真正的危險階段，下降速度很大，時間很短，一旦出問題后果就會非常嚴重，探測器很有可能燒毀。前期發(fā)射的很多火星探測器都是在此階段損毀。

4）表面巡視探測階段。首先是分離，要求安全、平穩(wěn)步入火星表面，速度一般較慢，如：天問一號探測器的火星車需約10min才能從轉(zhuǎn)移梯子上行駛到火星表面。然后是巡視探測，火星車設(shè)備與儀器全部啟動，火星車按計劃開始行走探測。

以上各階段的重要性雖然不盡相同，但是都必須按次序通過，否則探測任務(wù)將很容易夭折或者失敗。

（2）關(guān)鍵技術(shù)

1）超遠距離測控通信技術(shù)。地球與火星最遠相距約4億千米，通信信號在如此遙遠距離的情況下衰減可達280dB，為了克服巨大的信號衰減，一方面要依靠提高星載設(shè)備的性能，另一方面更需要地面站設(shè)備的配合，來提高發(fā)射上行大功率信號和接收下行微弱信號的能力，保證火星探測器與地面站的超遠距離通信。這就要求在下行傳輸過程中，探測器上具有較大發(fā)射功率，星載天線具有較大的增益，且地面站足以接收來自數(shù)億千米遠的火星探測器發(fā)回的微弱信號。同時，在上行傳輸過程中，要求星上接收機具有較高的靈敏度。

2）自主導航與控制技術(shù)?；鹦翘綔y器距離地球遠，通信時延大，飛行時間長，任務(wù)環(huán)境復雜，僅依靠地面測控網(wǎng)的導航與控制，在精度、實時性和可靠性等諸多方面受到限制，難以滿足火星捕獲制動、進入下降著陸等特殊任務(wù)階段的高精度實時導航與控制需求，自主導航與控制技術(shù)是解決這些問題的有效途徑，目前已實現(xiàn)的深空探測任務(wù)一般都具有一定的自主導航與控制能力。

3）自主管理與故障重構(gòu)技術(shù)?；鹦翘綔y器飛行任務(wù)通信時延大，往返時間可達40min；還存在長達幾十天的日凌，在此期間，探測器上下行鏈路受太陽影響而惡化，地面站無法與探測器建立聯(lián)系。這就要求探測器具有更強的自主管理與故障重構(gòu)能力，以便在地面授權(quán)的前提下，探測器自主完成一定飛行任務(wù)，同時保證探測器在某些故障和應急情況下，自主完成故障診斷、隔離與重構(gòu)。針對火星探測長時間日凌、大時延通信的任務(wù)特點，需要突破自主飛行管理、自主故障診斷與重構(gòu)、未知環(huán)境下的環(huán)境感知與建模、復雜地形下自主全局定位、自主巡視與生存等關(guān)鍵技術(shù)。

4）進入下降著陸技術(shù)。EDL過程飛行環(huán)境動態(tài)范圍變化大、不確定性強，是火星著陸任務(wù)成功的關(guān)鍵。針對火星表面稀薄大氣（僅有地球大氣密度的1%）的特點，EDL技術(shù)涉及到高性能大鈍體氣動外形、高效率可控降落傘、高精度高容錯自主導航、多約束自適應制導與控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

5）地面仿真實驗驗證技術(shù)。針對火星探測器和飛行環(huán)境特點，研究火星探測器地面仿真實驗方法和相應的仿真設(shè)備，提高地面仿真實驗逼真度和實驗結(jié)果可信度，從硬件研制、軟件開發(fā)到系統(tǒng)各個階段都應采用仿真實驗來驗收產(chǎn)品出廠是否合格。這是行之有效提高任務(wù)成功率的方法。

3 火星探測器的遠景展望

前期—21世紀20年代至21世紀末

從現(xiàn)在起到21世紀末期，由地球向火星有近40次發(fā)射窗口，每次發(fā)射窗口約有20來天，總共約有800天，應該有計劃、科學地利用這些寶貴的發(fā)射窗口時間。

在這80年里，首先應較全面深入了解火星環(huán)境的有關(guān)情況，找出火星變成當前狀態(tài)的基本原因，以及火星水資源等；其次要進行有關(guān)載人火星飛行需要關(guān)鍵技術(shù)研究與研制和實驗；最后開展實驗性火星機器人與載人飛行，以及發(fā)射往返載人火星飛船。未來火星探測和研究項目的基本內(nèi)容分三個發(fā)展階段簡要論述：

（1）第一階段大約需要20年

1）增加火星車數(shù)量與探測區(qū)域；

2）應用軌道器環(huán)繞火星，裝備高分辨率相機（分辨率為10～15cm），完成火星表面圖像并發(fā)回地球，開展火星全球環(huán)境分析研究；

3）火星車表面巡視探測，最終要取樣返回地球，要求在不同地區(qū)取樣多次返回地球；

4）向火星發(fā)射機器人，著陸后開展就位分析并取樣送回地球；

5）應用自動控制登陸方式收集火星表面土壤樣本，并返回地球。返回時的推進劑要求從火星上的原料中得到。

（2）第二階段大約需要30年

載人火星任務(wù)飛行一次最少也要1.5年時間,要確保生命保障系統(tǒng)連續(xù)不斷工作,以及保證航天員生活與工作食品與設(shè)備所需裝載等,這比“阿波羅”載人登月難度要高2～3個數(shù)量級，而且這些難度不僅只是資金可以解決,更需要一個時期來開展有關(guān)載人火星飛行關(guān)鍵技術(shù)研究,例如：

1）研究和設(shè)計出連續(xù)工作1.5～2年，能容納3名航天員的空間飛行生命保障系統(tǒng)，而且當中不能從地球得到任何供應；

2）研究和發(fā)送一個耐壓火星車到火星表面上，要求火星車可承載2人在火星表面工作生活一星期的能力，火星車在火星上至少行駛50km，車內(nèi)壓力為地球正常壓力，溫度保持10～30℃；

3）研究和設(shè)計一套系統(tǒng)，能夠利用火星上的原料合成推進劑，提供5t載荷從火星表面發(fā)射到火星軌道上，要求合成推進劑有70%以上質(zhì)量是從火星提供；

4）研究和設(shè)計一套火星發(fā)電系統(tǒng)，要求在500天中每天平均發(fā)電量大于15kW,同時要求任何時候不能少于2kW。

（3）第三階段為21世紀末之前的30年

經(jīng)過兩個階段50年的全球火星探測任務(wù)的實施，載人火星探測關(guān)鍵技術(shù)將能取得重大突破。到21世紀末期完全有條件進行火星載人飛行實驗,采用超大發(fā)射能力運載火箭直接從地球發(fā)射到火星表面,然后返回地面。

1）火星仿真搭載機器人飛行實驗，實驗設(shè)備完全按真正載人飛行配備，包括生命保障系統(tǒng)，僅是用機器人替代航天員，這個實驗全面考驗系統(tǒng)各設(shè)備，特別是生命保障系統(tǒng)，要求機器人出艙取樣，并攜帶小型巖石返回地球；

2）發(fā)射火星載人飛船實驗，要求兩名航天員僅在火星表面停留3～5天，并在當年火星發(fā)射窗口返回地面。

后期—22世紀以后的若干世紀

截至目前，學者專家們已經(jīng)發(fā)表許多文章關(guān)于火星地球化的探討，特別是2003年8月在美國召開了“火星移民研究”國際會議，討論在未來幾個世紀中將火星改造成一個綠色星球，使之成為未來人類的第二個家園。從此以后出現(xiàn)諸多關(guān)于火星移民的文章與建議。

在這里本文暫不討論火星地球化的具體內(nèi)容，僅論述它的可能性和實現(xiàn)性?？赡苄允谴嬖诘模瑢崿F(xiàn)性很難說，仍是個未知數(shù)。因為事物變化有些是可逆的，有些不可逆。對火星地球化可能在小部分地區(qū)實現(xiàn)，以后若能自主繼續(xù)發(fā)展并擴大區(qū)域，那么將來在較長時期的火星地球化就有望成功，否則若需要再長期依靠大量人力物力去維護，那么這些地區(qū)最終也將消亡。

總之，火星若能地球化也需要若干世紀，這當中可以預見以及可以實現(xiàn)的是機器人開采火星上有價值的資源。

除此以外，研究與發(fā)展火星探測器技術(shù)重要的還在于科學意義：一方面，深刻了解火星環(huán)境惡化原因與過程，對保護地球和進行環(huán)保有重大意義與參考價值。另外，可帶動許多領(lǐng)域科學與技術(shù)的發(fā)展，對此，20世紀70年代的“阿波羅”載人登月就是一個實例。