【航天专题】迈向火星之路多难？中国火星探测背后那些事儿
原载于《科技生活》周刊
4月22日15时，在国务院新闻办新闻发布厅，工业和信息化部副部长、国家国防科技工业局局长、国家航天局局长许达哲透露，2016年1月，中国批准立项了火星探测任务。中国正在严密地制定工程计划，争取在2020年这个窗口发射探测和着陆巡视的火星探测器。“我们要能够一步到位，应该说是一个很大的跨越，它可以研究火星的土壤、环境、大气，以及我们关注的像火星上的水。” 许达哲表示。
中国探测器会如何登陆火星？
按照早先的规划，中国计划赶在2018年发射火星探测器，航天专家叶培建在今年两会期间的说法表明我国之前的火星探测计划有了新的改变。叶培建说，火星每过26个月才接近地球一次，因此火星探测器的发射窗口有限，从目前来看，2018年的发射窗口已经来不及，但2020年仍有希望。
按照中国空间技术研究院的设计，我国的火星探测器的轨道器和着陆器最开始将作为一个整体被发射到深空，在星箭分离以后，火星探测器将在火星探测工程技术人员的控制下相继展开太阳能帆板、开启定向天线并实施发动机点火开始奔赴火星。
在2014年11月第十届中国国际航空航天博览会上，火星探测器原尺寸模型首次与公众见面。
和地球以及月球相比，由于火星在太阳系中位于地球的外侧距离太阳更远，因此在火星探测器奔赴火星和在火星轨道运行的过程中，其太阳能帆板能够吸收的太阳能要比地球及月球轨道附近小得多，因此火星探测器在设计的过程中，其太阳能帆板也要比地球卫星或者月球探测器的太阳能帆板长得多。
中国空间技术研究院的3D演示图像显示，中国未来发射的火星探测器在进入地火转移轨道并经过大约10个月的星际飞行以后将会飞到临火星附近，这时地球控制人员将开始实施火星轨道捕获火星探测器的工作。从飞行时间而言，中国未来奔赴火星的旅途应该会比欧俄今年3月份进行的多3个月左右的时间，对首次奔赴火星的中国而言，这到不是问题。
3月14日，欧俄火星探测器——ExoMars在“质子”号火箭的帮助下发射升空。
航天专家庞之浩表示，火星轨道捕获探测器的控制技术尤为重要，如果这一工作出现失误，探测器要么会与火星擦肩而过要么会直接撞上火星，从而导致整个火星探测工程的失败。因此，火星轨道捕获火星探测器的过程对于中国未来的火星探测而言是一个至关重要的关口。在10月左右，中国倒是可以好好研究一下欧俄火星探测器是如何被捕获的。
在火星探测器成功被火星轨道捕获以后，探测器将进入到环绕火星运行的大椭圆轨道。此后火星探测器的轨道器与着陆器将会择机分离，轨道器而后会运行在火星轨道上进行为期至少一年的运行，进行火星重点区域拍摄、火星环境监测等一系列的工作；而着陆器在点火与轨道器分离以后将会开始登陆火星。
火星着陆和月球着陆一样吗？
电影《火星救援》剧照
与“嫦娥三号”月球着陆器明显不同的是，将来我国的首个火星着陆器会带着一串气囊，技术人员介绍，这主要是用于将来在火星着陆上的。将来登陆火星时，降落伞和发动机反推的方式配合使用将会让在降落伞下方悬挂的火星着陆器以安全的速度接近火星表面。
“‘嫦娥三号’在月球上着陆时，由于月球表面没有大气，是一种真空状态，在这样的空间环境下，根本就无法利用降落伞进行着陆器的登陆，而只能够利用发动机反推的方式降低着陆器下落的速度，实施软着陆。”中国科学院院士欧阳自远表示，在这种着陆方式中，着陆器会慢速下降，一直降到离月面很近、比如4米左右的距离再让着陆器掉到月面上，这样就可以避免着陆器在着陆过程中直接冲向月球而受损，这也是在月球软着陆目前唯一可以实施的办法，但是在火星上着陆就不一样，火星表面有地球表面1/100密度左右的大气，这为实施利用降落伞和气囊的方式让探测器在火星着陆提供了条件。
“从原理上讲，中国空间技术研究院设计的火星探测器着陆方式并没有错。”欧阳自远表示，这也并不意味着在火星上着陆比月球上要容易。
“将来在火星上采取降落伞和气囊的方式还是直接采用发动机点火反推的方式只是着陆方式的不同，这两种方式的实施都有一定的技术难度。”欧阳自远表示，火星距离地球的最近距离约为5500万公里，最远距离则超过4亿公里，而月球最多也就40万公里，火星相比月球而言离地球的距离要远得多，因此实施着陆控制的难度和风险显然要大得多。为了减小难度和风险，这几年我国科学家正在设计和试验多种着陆方法，并且我们还有好几年的准备时间，届时，措施肯定更为完善。而这次欧洲空间局和俄罗斯合作项目选择的着陆方式，也会为中国提供重要参考。
据叶培建透露，我国将来发射的火星进入器、探测器的大小和结构，与此前登陆月球的嫦娥三号和玉兔号月球车有相似之处。这意味着将来在火星上极有可能实施嫦娥三号在月球上一样的探测模式，既有进入器在着陆的地方利用多种神通广大的携带设备始终呆在固定的地方实施探测，也有火星车四处溜达进行各种探索，它们将会一起为我们寻找隐藏在火星上一些不为人知的秘密，这是不是很期待呢？
前些年，我国科学家设定火星着陆器探测时间至少是7天，但是根据目前月球车在月球的工作状况来看，其将来完全可以工作长得多的时间。
嫦娥二号2009年差点儿就奔赴火星了
据欧阳自远透露，为了探测火星，他们早在12年以前就已经开始组织人员对火星进行专门研究，截至目前我国火星探测所有的科学目标都已制定。
如今，我国火星探测项目已正式立项，首次发射有望实现“绕、落、巡”的三阶段探测任务。火星探测项目将是我国继神舟载人航天工程、嫦娥探月工程之后又一个重大太空探索项目。
记者另外了解到，在863计划重大项目支持下，近些年我国已经提出了开展火星探测的技术路线，已完成了火星探测轨道设计、测控通信、自主导航、表面软着陆等关键技术攻关，为我国开展自主火星探测奠定了技术基础。
欧阳自远说，其实中国自主探测火星的计划差点在2009年就变成了现实。在嫦娥二号发射以前，它差一点就被送到火星而不再执行月球探测的相关任务。
“当时我们提出了详细的计划方案，所有的准备工作就做了，计划在2009年内发射，但是后来因为技术上的问题，该方案最后不得不放弃了。”欧阳自远说。
现在中国原定2018年发射的时间也予以推迟，在欧阳自远看来是十分正常的事情。“火星探测是一个十分慎重的事情，只有一切都准备充分了，我们才能去实施。”
他还强调，我国火星探测实施相关任务一定要从实际出发，不要搞一些不切合实际根本就无法实现的目标。在火星探测方面，这样的态度十分重要，因为它直接关系到中国未来火星探测的进程和成果。
对世界各国来说，同样具有挑战性
想要去趟火星，对其他国家而言，也没那么容易。欧洲空间局最近一些年的探测火星计划波折重重，并且屡次推迟了发射的时间。他们这个本世纪初就开始启动的计划拖了10多年以后终于上路了！
根据最初的安排，欧洲空间局开展的ExoMars火星联合探测计划和美国宇航局合作。但是后来因为后者预算受限， “被迫”在2012年退出了与欧洲空间局的这个合作项目。
2013年初，俄罗斯航天局开始接替美国，成为欧空局的合作者。其主要目标包括向火星发射3颗探测器。该项目的基本设想是寻找生命的线索，并验证未来可被用于火星探测的最新技术。
按照预定计划，俄罗斯使用一枚“质子”运载火箭将两个火星探测器发射升空，它们分别是“痕量气体轨道探测器”（TGO）以及“斯恰帕拉利EDM模块”，这里的EDM模块全称是指“大气层进入、下降与着陆验证模块”，这是一台着陆器，总质量达到600千克。这辆装配有先进电子设备、火箭推进器、制导雷达和欧洲生产的超音速降落伞的着陆器有望成为首个在火星上成功运行的欧洲平台。
俄罗斯质子号运载火箭
根据设计TGO轨道探测器将对火星大气层开展研究，项目科学家豪尔赫·瓦戈说，这个探测器相当于太空中的一个巨大“鼻子”，可用来嗅出火星上的甲烷。TGO的光谱仪还能够检测出甲烷以外的关键化学物质和气体，以确定火星甲烷是由生命体产生。如果发现甲烷与其他复杂烃类气体同时存在，比如丙烷或乙烷，这将是表明其与生物过程相关的一个强有力证据；如果找到甲烷的同时还发现二氧化硫，则可以肯定甲烷来自地底，是在地质活动中逸出的。
而着陆器将测试未来用于第三枚探测器即ExoMars火星车着陆火星将要用到的一些关键技术，后者预计将在2018年或者2020年发射升空。
ExoMars火星车将在2019年登陆火星，预计在火星全球沙尘暴季节结束后到达。
据了解，这款火星车能够在火星表面打钻两米深，在那样的深度能够屏蔽严寒、干燥和强辐射的环境。寻找火星生命在过去或现在在火星上的生物标记，研究火星水资源状况，研究火星环境以研判未来载人火星任务的危险性等都是它的重要使命。只是现在登陆地点还在考察之中。
今年3月，本来还有另外一部火星探测大片上演的，但是却被推迟了。2015年底，美国航空航天局（NASA）管理层决定，暂停原计划于2016年3月发射的洞察火星号（InSight）任务。作出这一决定的原因在于，针对探测器科学载荷主要设备某一部件的漏气问题所作的修复尝试没能成功。他们什么时候会发射，NASA并没有宣布。据了解，今年发射的最佳窗口时间为3月4日至3月30日，NASA显然已经来不及了，而下一次发射时间至少要到2018年。
今年3月，NASA宣布于去年12月搁置的InSight将于2018年再发射。InSight是NASA利用地震勘探、地质测量以及热传输技术对火星内部进行深层次探索的重大项目，旨在帮助人类进一步理解火星岩石地表的形成原因。
不过，NASA在火星任务上依旧雄心勃勃，包括将人送上那颗红色行星。尽管决定推迟发射洞察号，但NASA的火星之路仍将按计划进行。并且，还有无人探测器为NASA的火星探测任务开路，包括正在设计制造的火星2020漫游车，仍在火星表面探索的机遇号和好奇号火星车，仍在轨道上绕着火星探测的火星奥德赛探测器和火星勘测轨道飞行器，以及最近帮助科学家了解火星大气发生了什么的MAVEN探测器等等。在火星探测方面，美国有着绝对的实力，任何时候都不能忽视他们的实力。
已立项！
2020年中国探测器要去火星了
来源：新华网，记者：喻菲、杨春雪，图表：我国火星探测任务正式立项 2020年发射首个火星探测器 新华社记者 陈琛 编制
荒凉，空寂，砾石遍布，黄沙漫天，虽然毫无生气，但在数亿公里外的人类始终对它充满好奇。
这颗红色行星上是否曾经存在过生命？火星与太阳系是怎样起源及演化的？未来能否将火星改造成人类可居住的星球？这些问题让科学家们迫切希望从火星上找到答案。
首个“中国航天日”来临之前，中国首次火星全球遥感与区域巡视探测任务已获批立项，首个火星探测器预计2020年发射飞往火星。
探测器揭秘
中国航天科技集团五院火星探测器总设计师孙泽洲近日在接受新华社记者专访时说，中国火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成。
从地球到火星距离４亿公里，探测器从地球飞到火星的时间会根据发射的窗口期不同而有所差别，大约为６到１２个月。
孙泽洲介绍，探测器接近火星后，首先要让它被火星引力捕获，成为环绕火星飞行的探测器。探测器在环绕轨道上做一些轨道调整，同时对仪器进行检测，还将对火星的形貌开展探测。
之后，在合适时机，与环绕器分离的着陆巡视器将进入火星大气，着陆到火星表面并释放火星车，开展巡视探测。与此同时，环绕器继续在轨道上进行科学探测，并为火星车提供对地面的数据中继服务。
一次实现环绕、着陆、巡视
还从未有哪个国家一次实现火星“绕、落、巡”。
孙泽洲说，中国的火星探测任务形式在国外是没有过的。美国的探测环绕就是环绕，巡视就是巡视。“从来还没有哪个国家一次任务就同时实现环绕和着陆巡视。”
他说，这体现出中国在空间技术创新发展中的“首创精神”，也是中国航天工程“快好省”的生动实践。
他说，国外在火星着陆任务之前都有环绕卫星在火星附近，可以对着陆过程以及着陆后的数据通信提供及时支持。而中国的火星着陆巡视器是环绕火星不久后，就要与环绕器分离并降落，这对于着陆后的火星车自主能力提出更高要求。
“另外，这样的任务在轨道设计上更具有复杂性，要兼顾着陆和环绕轨道的要求，增加了任务的难度和复杂度。”孙泽洲说。
他说：“我们希望用有限的经费尽可能多获得一些成果，更高效地推动技术进步。所以我们想结合探月已经走的第一步和第二步的基础，一步实现环绕、着陆和巡视。我们具备了这样的技术条件，希望一步迈得大一点。”
挑战
这样的任务，孙泽洲坦陈，难度非常大。
“这次任务最核心、最难的地方，就是探测器进入火星大气后气动外形和降落伞减速的过程，并且只有一次机会，必须成功。由于地球与火星距离遥远，整个过程无法由地面实时控制，必须依靠探测器自主完成。”孙泽洲说。
自20世纪60年代以来，国际上已实施的42次火星探测任务，成功率仅为52％．
最让这位火星探测器总设计师担忧的是火星大气。
“火星大气具有很高的不确定性，有些因素我们还没有认识透，比如火星大气的变化规律、风暴时的特性等。我们现在感觉压力很大，是因为不能掌控的因素很多。如果降落那天真的起了尘暴，就不能降落。”孙泽洲说。
他说，由于没有那么多的推进剂来抵消那么高的速度，所以登陆火星时，99％以上的减速都是靠火星大气的作用。然而，火星的大气和降落伞减速与地球上的相似度不到50％，而且火星的大气难以在地面模拟。
“我们只能把各个因素单独分析，开展单项模拟，没办法用一个完整的过程在地面把实际过程模拟出来，这也是我们现在很困惑的事情。但正因为有压力，才能带来技术进步。”孙泽洲说。
火星那么大，去哪儿好呢？
曾担任探月工程二期探测器总设计师的孙泽洲说，由于中国火星车将使用太阳能供电，从光照角度考虑，最理想的地方是火星赤道附近，但是火星赤道附近的地形复杂。另外，由于登陆火星99％以上的减速是靠大气减速，因此着陆点海拔越低减速时间越长，登陆越安全。
“综合考虑地形复杂度、高程、光照条件、温度等因素，火星比较适合着陆点在北纬５度至３０度的区域。”孙泽洲说。
他说，当初在确定嫦娥三号登月落点时，专家们先画了一个100乘300公里的大区域，在探测器进入环月轨道决定要着陆后，又预计了一个落点，最后真正的着陆点与预计的落点只偏差几百米。
“火星着陆点的确定也类似。就好比我们先选择要去北京，至于落在北京哪个区哪条街道，是到附近再做精确的选择。由于火星大气模型误差很大，所以在火星登陆的偏差可能会比登月大。”孙泽洲说。
探火与探月有何不同？
孙泽洲说，探月工程已为火星探测打下了很好的基础，如果没有探月工程，希望火星探测一次就着陆并让火星车走起来，是不现实的。“但是火星探测仅有一半的环节与探月有相似性。”
举个例子，在嫦娥三号任务中，月球的地形地貌具有不确定性，但其他环境因素都在可控范围内，可通过设计规避风险。但火星除了地形以外，其大气情况具有很高的不确定性。
此外，登陆火星需要经过四个阶段：气动外形减速，降落伞减速，反推发动机减速，着陆器的缓冲腿吸收最后的能量。但月球没有大气，登月只有反推发动机和着陆缓冲两个阶段。
孙泽洲说，由于月球距离地球40万公里，而火星距离地球最远时达到４亿公里。在探月工程的带动下，中国已建立深空测控网，能够实现对火星探测器的测控。但是数据还不能实现高速传输，因此未来的火星车操控要比月球车的操控更为复杂。
距离遥远的另一个后果是火星光照强度小，火星大气对阳光还有削减作用，所以火星车的能源供给比月球车更为困难。
去火星探索什么科学之谜？
孙泽洲说，中国火星探测的科学目标虽然还没有最终确定，但基本上围绕这几个方面：通过光学遥感探测火星形貌，看看火星表面长什么样；通过光谱等探测火星土壤元素、矿物成分及岩石类型；探测火星空间环境，包括火星大气；探测火星土壤结构及水冰，火星表面甚至地下浅层是否有水？
“深空探测虽然不会马上产生明显的经济效益，但是对于满足人类探索未知世界的好奇心，拓展人类生活空间，都具有重要意义。”孙泽洲说。
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