2020年，我們與火星有個(gè)“約會(huì)”

在嫦娥探月工程不斷取得成功之際，越來(lái)越多的中國(guó)航天人和航天愛(ài)好者將目光投向火星。終于，2016年4月22日國(guó)防科工局局長(zhǎng)許達(dá)哲在就中國(guó)首個(gè)航天日舉行的發(fā)布會(huì)上，宣布了火星探測(cè)任務(wù)正式立項(xiàng)的重磅消息。

火星探測(cè)：一路坎坷

中國(guó)月球探測(cè)工程已經(jīng)發(fā)射了嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)和嫦娥五號(hào)T1總計(jì)4顆探測(cè)器，未來(lái)還將發(fā)射嫦娥五號(hào)取樣返回探測(cè)器、月球背面著陸的嫦娥四號(hào)和地月L2軌道的中繼星，不僅過(guò)去的成就舉世矚目，更有未來(lái)的錦繡前程。相比之下，中國(guó)火星探測(cè)工程2016年才正式立項(xiàng)，未來(lái)更有很大的不確定性。兩個(gè)工程看起來(lái)是兩個(gè)階段的事情，很少有人留意到，其實(shí)中國(guó)的火星探測(cè)和月球探測(cè)幾乎是同時(shí)起步的。

探月工程正式啟動(dòng)于2004年，嫦娥一號(hào)發(fā)射升空則是2007年10月24日。而早在2005年11月，中俄兩國(guó)總理定期會(huì)晤中就考慮制定聯(lián)合雙邊太空探索計(jì)劃，到2007年3月26日，兩國(guó)簽署聯(lián)合探測(cè)火星和火衛(wèi)一的合作協(xié)議。根據(jù)中俄兩國(guó)的協(xié)議，俄羅斯將利用福布斯-土壤號(hào)是探測(cè)器空余的空間和運(yùn)力，為中方搭載一顆火星探測(cè)器。這就是螢火一號(hào)的由來(lái)。

螢火一號(hào)：出師未捷身先死

螢火一號(hào)火星探測(cè)器是中國(guó)航天少有的國(guó)際合作項(xiàng)目，選擇借船出海而不是自力更生，是因?yàn)槲覀儗?shí)在缺乏深空探測(cè)能力。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)年中國(guó)發(fā)射的距離地球最遠(yuǎn)的衛(wèi)星是雙星計(jì)劃中的探測(cè)一號(hào)，由于火箭入軌控制問(wèn)題，遠(yuǎn)地點(diǎn)比原計(jì)劃高了一萬(wàn)多千米！要向距離地球最近也有5500萬(wàn)千米的火星發(fā)射探測(cè)器，長(zhǎng)征火箭的導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)恐怕暫時(shí)無(wú)法滿足需求。

即使火箭有可能改進(jìn)以滿足需求，測(cè)控系統(tǒng)的不足也是一個(gè)大問(wèn)題。中國(guó)的航天測(cè)控網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)只具備對(duì)地球軌道目標(biāo)的測(cè)控能力，為了滿足嫦娥一號(hào)月球探測(cè)器的測(cè)控任務(wù)，要在喀什站和青島站各新建一座18米的統(tǒng)一S波段測(cè)控天線，還要借用中科院的大型射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)甚長(zhǎng)基線干涉（VLBI）技術(shù)進(jìn)行測(cè)控。所以說(shuō)，當(dāng)時(shí)的中國(guó)從硬件到經(jīng)驗(yàn)都不支持開(kāi)展獨(dú)立的火星探測(cè)。

深空探測(cè)具有全球性、科學(xué)性等特點(diǎn)，國(guó)際合作是其主流發(fā)展模式。前不久英國(guó)BBC采訪中國(guó)探月和火星計(jì)劃總師吳偉仁時(shí)，英國(guó)人不無(wú)惡意地評(píng)論，中國(guó)在合作日益增強(qiáng)的太空探測(cè)活動(dòng)中被認(rèn)為是一匹孤狼。這并不是我們閉關(guān)鎖國(guó)，而是被美國(guó)封鎖的困境使然。中國(guó)航天始終歡迎國(guó)際合作，螢火一號(hào)項(xiàng)目的實(shí)施就是一個(gè)范例。國(guó)際合作的螢火一號(hào)項(xiàng)目，有助于中國(guó)彌補(bǔ)能力和經(jīng)驗(yàn)的短板，多快好省地開(kāi)展火星探測(cè)。國(guó)際合作對(duì)中國(guó)航天是有利和必要的，只可惜后來(lái)的發(fā)展可謂計(jì)劃趕不上變化。

即便有俄國(guó)人交流幫忙，火星探測(cè)對(duì)中國(guó)航天來(lái)說(shuō)仍然充滿未知，無(wú)論是深冷溫度環(huán)境的控制還是超低剩磁的控制，或是超遠(yuǎn)距離的測(cè)控和通信，都是不小的挑戰(zhàn)。但是上海航天八院在研制螢火一號(hào)探測(cè)器的過(guò)程中陸續(xù)解決了這些技術(shù)難題，用23個(gè)月就完成了一般5年才能完成的研制任務(wù)。

但遺憾的是，由于俄羅斯方面研制進(jìn)度滯后，福布斯-土壤號(hào)探測(cè)器無(wú)法在2009年10月如期發(fā)射，發(fā)射日期推遲到大約26個(gè)月之后的下一次發(fā)射窗口。而更糟糕的是，2011年11月9日福布斯-土壤號(hào)探測(cè)器發(fā)射后，主發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)能進(jìn)行啟動(dòng)點(diǎn)火最后墜落太平洋，導(dǎo)致螢火一號(hào)探測(cè)器也跟著出師未捷身先死。

螢火一號(hào)的失敗，雖然不是中國(guó)航天的原因，但仍給了中國(guó)火星探測(cè)當(dāng)頭一棒。在嫦娥一號(hào)探測(cè)器的成功發(fā)射和中國(guó)航天技術(shù)全方位進(jìn)步的鼓舞下，嫦娥一號(hào)總師葉培建等人雄心勃勃地表示，中國(guó)應(yīng)該獨(dú)立進(jìn)行火星探測(cè)。

獨(dú)立火星探測(cè)：屢敗屢戰(zhàn)

繼螢火一號(hào)之后，獨(dú)立的火星探測(cè)方案不斷出爐，其中既有上海航天八院的螢火一號(hào)改進(jìn)型方案，也有北京航天五院的嫦娥探測(cè)器改進(jìn)方案。上海八院的方案中，火星探測(cè)器以螢火一號(hào)為主體，增加了推進(jìn)巡航段，使探測(cè)器具備了獨(dú)立飛向火星和進(jìn)行制動(dòng)進(jìn)入火星軌道的能力，還增加了兩個(gè)30～50千克的火星穿透撞擊器用于研究火星地質(zhì)構(gòu)造。北京五院的方案更為大膽，他們以嫦娥一號(hào)平臺(tái)為基礎(chǔ)，更換了用于火星探測(cè)的載荷，并增加了一個(gè)約50千克的小型試驗(yàn)著陸器，將使用氣動(dòng)剎車(chē)輔助減速進(jìn)入火星軌道，驗(yàn)證火星環(huán)繞探測(cè)和火星大氣進(jìn)入、下降和著陸的技術(shù)，總體水平上類似歐洲的火星快車(chē)。

這些方案并沒(méi)有停留在紙面上，且不說(shuō)上海成熟的螢火一號(hào)改進(jìn)方案，北京五院也進(jìn)行了大量的研究，突破了火星測(cè)控通信的輕型應(yīng)答機(jī)和輕質(zhì)量天線，以及深空導(dǎo)航制導(dǎo)技術(shù)，還進(jìn)行了火星著陸技術(shù)的研究，實(shí)際開(kāi)展了軟著陸氣囊原理樣機(jī)的空投演示試驗(yàn)?；鹦翘綔y(cè)技術(shù)的研究同時(shí)使中國(guó)航天的運(yùn)載火箭和測(cè)控網(wǎng)絡(luò)都有了巨大的發(fā)展，探月工程中長(zhǎng)征三號(hào)火箭就改進(jìn)提高了制導(dǎo)精度，而喀什站35米、佳木斯站64米專用深空測(cè)控天線的建成，也讓中國(guó)的深空測(cè)控能力有了飛躍性的進(jìn)步。

遺憾的是，福布斯-土壤號(hào)探測(cè)器兩年的拖延和2011年的失敗，無(wú)情地粉碎了這一切，將中國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃打入冷宮。然而中國(guó)科學(xué)家并沒(méi)有放棄獨(dú)立開(kāi)展火星探測(cè)的希望，2011年后仍然不斷提出火星探測(cè)的倡議，但始終沒(méi)有得到國(guó)家批準(zhǔn)立項(xiàng)，只能眼睜睜地看著印度的曼加里安號(hào)火星探測(cè)器于2013年成功發(fā)射并于2014年成功入軌。

或許是由于印度的成功，2013年中國(guó)航天火星探測(cè)的構(gòu)想也有了較大的變化，從以軌道器為主外加撞擊器或試驗(yàn)性著陸器，演進(jìn)升級(jí)為軌道器、著陸器和巡視器三位一體，預(yù)定發(fā)射時(shí)間為2018年。

盡管從技術(shù)上看，火星探測(cè)對(duì)中國(guó)人來(lái)說(shuō)已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)，但國(guó)家始終沒(méi)有正式立項(xiàng)，而火星探測(cè)26個(gè)月一個(gè)窗口的限制，意味著錯(cuò)過(guò)一次就要再等兩年多，于是計(jì)劃于2018年發(fā)射的火星探測(cè)繞落巡探測(cè)器，也只能推遲到2020年再發(fā)射了。

有優(yōu)勢(shì)，有風(fēng)險(xiǎn)，也有機(jī)遇

2016年1月11日，中國(guó)自主火星探測(cè)項(xiàng)目終于正式立項(xiàng)。根據(jù)目前公布的消息，中國(guó)的首個(gè)火星探測(cè)器將是一個(gè)環(huán)繞、著陸和巡視結(jié)合的空前復(fù)雜的項(xiàng)目，其復(fù)雜度不僅超過(guò)了美國(guó)在航天競(jìng)賽時(shí)代發(fā)射的水手號(hào)和海盜號(hào)探測(cè)器，也比歐空局的火星快車(chē)復(fù)雜得多。

中國(guó)首次火星探測(cè)就選擇了難度極高的繞落巡一體方案，這種選擇并非無(wú)的放矢。開(kāi)展深空探測(cè)，既有航天競(jìng)賽時(shí)代提高國(guó)家威望的理由，也有提升航天工業(yè)技術(shù)水平的需求，還有探索未知獲取新發(fā)現(xiàn)的意義。無(wú)論從哪個(gè)角度說(shuō)，中國(guó)的繞落巡火星探測(cè)方案都有其必要性。

從政治上說(shuō)，我們一直津津樂(lè)道于中國(guó)是第三個(gè)獨(dú)立掌握載人航天能力的國(guó)家，那么同樣備受關(guān)注的空間科學(xué)和深空探測(cè)領(lǐng)域，中國(guó)自然不能長(zhǎng)期缺席。

2020年是一個(gè)火星探測(cè)的熱門(mén)年份，不僅中國(guó)和印度均有探測(cè)器發(fā)射飛向火星，美國(guó)的2020年火星車(chē)、俄歐聯(lián)合的地外火星車(chē)、阿聯(lián)酋的希望號(hào)探測(cè)器屆時(shí)也將發(fā)射升空，中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)將吸引更多的關(guān)注并帶來(lái)更大的影響，這意味著我們不能為了提高首次任務(wù)的成功率而簡(jiǎn)化火星探測(cè)器設(shè)計(jì)。

繞落巡一體的設(shè)計(jì)看似十分激進(jìn)，但仔細(xì)分析其跨度并不是太大：火星軌道器對(duì)今天的中國(guó)航天來(lái)說(shuō)不是什么問(wèn)題；火星著陸器的預(yù)研也一直在進(jìn)行，除了2011年就已經(jīng)進(jìn)行過(guò)的氣囊緩沖試驗(yàn)，2016年3月航天五院508所還進(jìn)行了超音速降落傘風(fēng)洞試驗(yàn)；至于火星巡視器，玉兔號(hào)月球車(chē)面對(duì)的月球環(huán)境溫差要比火星苛刻得多，所以做一個(gè)能用的火星巡視器同樣不是太大的難題。

簡(jiǎn)而言之，對(duì)于今天的中國(guó)航天而言，火星環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)技術(shù)都有一定的基礎(chǔ)，繞落巡一體探測(cè)可以發(fā)揮技術(shù)牽引作用，有利于以更少的經(jīng)費(fèi)更快地提高中國(guó)深空探測(cè)的水平，先發(fā)射驗(yàn)證性的火星軌道器并非必不可少。

從這個(gè)意義上說(shuō)，中國(guó)首次火星探測(cè)技術(shù)上最大的難點(diǎn)在于著陸，而最有科學(xué)價(jià)值的部分在于巡視探測(cè)，這個(gè)結(jié)合環(huán)繞、著陸和巡視的火星探測(cè)方案，兼顧了經(jīng)費(fèi)投資、工程技術(shù)和科研任務(wù)，這些都使得首次火星探測(cè)任務(wù)更具難度和復(fù)雜性。雖然存在著一定風(fēng)險(xiǎn)，但也是目前形勢(shì)下最好的選擇。

中國(guó)火星探測(cè)的未來(lái)

中國(guó)的月球探測(cè)計(jì)劃循序漸進(jìn)的繞落回三步走給人留下了深刻印象，2017年肩負(fù)月球取樣返回任務(wù)的嫦娥五號(hào)即將發(fā)射，那么火星探測(cè)又有怎樣的規(guī)劃和未來(lái)呢？

在中國(guó)航天和中科院早期的規(guī)劃中，火星探測(cè)同樣打算謹(jǐn)慎地進(jìn)行繞落回三步走，但隨著技術(shù)和能力的提高，火星環(huán)繞和著陸探測(cè)已經(jīng)合二為一，于是三步走也就成了兩步走，首次火星探測(cè)繞落巡任務(wù)完成之后，中國(guó)將進(jìn)行空前難度的火星取樣返回任務(wù)。

火星取樣返回任務(wù)是火星無(wú)人探測(cè)皇冠上的明珠，它不僅具有極高的技術(shù)難度，花費(fèi)同樣不菲。美國(guó)從20世紀(jì)60年代以來(lái)進(jìn)行了火星飛掠、火星環(huán)繞、火星著陸和火星車(chē)巡視探測(cè)，但在火星取樣返回任務(wù)上仍然充滿挑戰(zhàn)，而目前估算的高達(dá)50億～90億美元的任務(wù)開(kāi)支，讓財(cái)大氣粗的美國(guó)航天局也不得不拉上歐空局聯(lián)合進(jìn)行。

中國(guó)航天打算挑戰(zhàn)火星取樣返回這樣的旗艦級(jí)任務(wù)，可不僅僅是勇氣可嘉，而是認(rèn)真開(kāi)展了各種預(yù)研準(zhǔn)備工作。目前中國(guó)長(zhǎng)征九號(hào)重型運(yùn)載火箭已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和方案深化論證階段，重型火箭使用的500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)已在2016年8月完成首次燃?xì)獍l(fā)生器—渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，未來(lái)的重型火箭火星轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力可達(dá)44噸，足以支持一次大型火星取樣返回任務(wù)。

火星取樣倒不一定非要使用SLS或長(zhǎng)征九號(hào)級(jí)別的重型火箭，美歐聯(lián)合的火星取樣返回任務(wù)也提出過(guò)3枚宇宙神5型火箭或是一枚宇宙神5型火箭加一枚阿里安5型火箭的輕量級(jí)設(shè)計(jì)。2015年國(guó)際宇航大會(huì)上，中國(guó)投遞的論文中恰好也有類似的方案，即使用一枚長(zhǎng)征三號(hào)乙或長(zhǎng)征七號(hào)火箭加一枚長(zhǎng)征五號(hào)火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)?？傊磥?lái)火星取樣返回任務(wù)的運(yùn)載工具不會(huì)是個(gè)問(wèn)題。

火星取樣返回任務(wù)中樣品的轉(zhuǎn)移一向是個(gè)難題，而在2017年的嫦娥五號(hào)任務(wù)中，中國(guó)就將驗(yàn)證月球樣品的軌道轉(zhuǎn)移，在這項(xiàng)技術(shù)上中國(guó)遙遙領(lǐng)先于包括美國(guó)在內(nèi)的任何其他國(guó)家。更有趣的是，2015年中國(guó)火星取樣返回的論文中，甚至直接借用了嫦娥五號(hào)的概念，提出使用一個(gè)330千克的鐘形返回艙攜帶火星樣品返回。至于火星取樣返回任務(wù)中的火星著陸和取樣技術(shù)，也將在2020年火星繞落巡探測(cè)任務(wù)和2017年嫦娥五號(hào)任務(wù)中得到驗(yàn)證。

毫不夸張地說(shuō)，如果2020年火星繞落巡探測(cè)任務(wù)進(jìn)展順利，中國(guó)將有望和美歐同步開(kāi)展火星取樣返回任務(wù)，這將使中國(guó)的火星探測(cè)技術(shù)和能力達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，而包括嫦娥五號(hào)在內(nèi)的一系列任務(wù)，將為火星取樣返回任務(wù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

雖然前路依舊困難重重，但是我國(guó)的科研工作者們信心滿滿，為2020年與火星的“約會(huì)”做著積極的準(zhǔn)備。