火星，我們來了！

姜浩峰

“以嫦娥四號(hào)任務(wù)圓滿成功為標(biāo)志，中國探月工程四期和深空探測工程全面拉開序幕。嫦娥五號(hào)月面采樣返回任務(wù)將于今年年底左右實(shí)施，中國首次火星探測任務(wù)將于2020年前后實(shí)施。”2019年1月14日，國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳艷華在國新辦發(fā)布會(huì)上披露了在太空探索事業(yè)上的下一步計(jì)劃。

這并不是中國官方首次公布自己的火星探索計(jì)劃。2018年11月5日，于珠海舉行的中國國際航空航天博覽會(huì)上，中國國家航天局系統(tǒng)工程司副司長趙堅(jiān)，曾介紹中國航天未來深空探測工程領(lǐng)域重點(diǎn)任務(wù)：“我國首次火星探測任務(wù)計(jì)劃在2020年左右實(shí)施，實(shí)現(xiàn)2021年火星探測器著陸火星。后續(xù)至2030年前后，我國還將實(shí)施小行星探測、火星取樣、木星系探測及行星穿越等三次深空探測任務(wù)?！?/p>

迄今為止，全世界已有美國、俄羅斯、日本、印度等國發(fā)射過火星探測器，然而，除了美國以外，其他國家成功的案例屈指可數(shù)。

作為后來者，中國在完成了探月工程三期以后，準(zhǔn)備向火星進(jìn)發(fā)，堪稱一步一個(gè)腳印。就連美國國家航空航天局（NASA）局長吉姆·布里登斯廷（Jim Bridenstine）都在勸說美國政府，現(xiàn)在與中國合作還來得及。1月18日，美國方面果然迫不及待披露——美中兩國航天機(jī)構(gòu)正在協(xié)調(diào)月球探索方面的努力。

探月為火星探測架起“鵲橋”

很多人知道美國、蘇聯(lián)以及蘇聯(lián)解體后的俄羅斯向火星發(fā)射過探測器，實(shí)際上，日本和印度也相繼在1998年和2014年向火星發(fā)射過探測器。

日本的希望號(hào)火星探測器，由日本宇宙科學(xué)研究所負(fù)責(zé)發(fā)射升空。在1999年10月到達(dá)火星附近時(shí)，探測器沒有進(jìn)入預(yù)定軌道，幾經(jīng)轉(zhuǎn)軌，最終于2003年被日本放棄。印度的曼加里安號(hào)火星探測器，于2013年11月5日在斯里赫里戈達(dá)島航天發(fā)射場升空，于2014年進(jìn)入火星軌道。然而，這是一個(gè)據(jù)稱載荷只有15公斤的小玩意兒。

而中國于2016年1月11日批準(zhǔn)立項(xiàng)的火星探測任務(wù)，想要做到的則不僅僅是繞著火星軌道轉(zhuǎn)圈，而是一步實(shí)現(xiàn)繞火星的探測和著陸火星表面的巡視。由此可知，中國的火星探測器必將攜帶火星車。

時(shí)任中國國家航天局局長許達(dá)哲2016年對(duì)“一步實(shí)現(xiàn)繞火星和著陸”評(píng)價(jià)稱：“這相當(dāng)有難度。因?yàn)槊恳粋€(gè)發(fā)射窗口要26個(gè)月才能遇到，我們正在嚴(yán)密地制定工程計(jì)劃，爭取在2020年這個(gè)窗口發(fā)射探測和著陸巡視的火星探測器?！?/p>

“由中國的火星探測器可以研究火星的土壤、環(huán)境、大氣，甚至世人關(guān)注的火星上的水可知——中國2020年發(fā)射的火星探測器，肯定比印度的要大很多?！庇泻教鞂＜蚁颉缎旅裰芸酚浾弑硎?，“因?yàn)槲覀冇辛颂皆鹿こ痰某晒?jīng)驗(yàn)，等于是有了基礎(chǔ)?！?/p>

專家所言的“基礎(chǔ)”，包括了探月工程的繞月、落月，還有月球車，在未來的探測火星之旅的時(shí)候，這些都是用得著的成熟技術(shù)。

“中國火星探測器的大小和結(jié)構(gòu)，與嫦娥、玉兔相似，又有不同?！痹缭?016年，全國政協(xié)委員、衛(wèi)星專家葉培建就曾對(duì)媒體如此表述。

探測火星比探月，確實(shí)有新的挑戰(zhàn)。譬如探測器落于火星表面，和落于月球表面，有一個(gè)重大區(qū)別，就是火星有大氣層而月球沒有大氣層。這就意味著火星探測器如果要落于火星表面，必須解決穿越火星大氣層的問題。在著陸火星的過程中，初始降落速度非?？?，為避免與火星大氣層摩擦?xí)r產(chǎn)生高溫?zé)龤В枰欢ㄉ椭鼫p速，使得探測器外側(cè)溫度不那么高。據(jù)中國科學(xué)院院士、中國月球探測工程領(lǐng)導(dǎo)小組高級(jí)顧問歐陽自遠(yuǎn)稱，火星由于有大約地球表面百分之一密度的大氣，在探測器著陸時(shí)，比著陸月球也有優(yōu)勢(shì)，那就是可以使用降落傘和氣囊。

就公開披露的信息看，2018年全國兩會(huì)期間，全國政協(xié)委員、中國航天科技集團(tuán)十一院研究員周偉江曾對(duì)外披露，中國計(jì)劃于2020年發(fā)射的火星探測器，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。周偉江稱，與國內(nèi)外一些探測器采取的調(diào)整探測器重心的策略不同，中國著陸火星探測器的獨(dú)家秘方是——通過開啟活動(dòng)控制部件、配合噴流控制來產(chǎn)生升力。

無論探測器設(shè)計(jì)成什么樣子，地球上的控制中心對(duì)它的管控尤為關(guān)鍵。以著陸火星為例，如何控制探測器的姿態(tài)非常重要，如果它翻起跟頭，可能會(huì)被燒蝕或偏離軌道。而在著陸火星的過程中，探測器上會(huì)不斷有部件分離。譬如先要拋出前蓋，打開降落傘，這個(gè)過程不能影響飛行穩(wěn)定性。降到一定高度時(shí)，要拋掉大底，由于此時(shí)準(zhǔn)備著陸的探測器是大底朝前降落，這個(gè)動(dòng)作相當(dāng)于是迎風(fēng)完成的。接下來，還要把艙里的巡視器拋出去。這些情況，都有可能影響探測器著陸的穩(wěn)定性，不僅在探測器氣動(dòng)設(shè)計(jì)中需要考慮周全，還需要地面管控中心做到精準(zhǔn)管控。

地球到月球是38.4萬公里；而從地球到火星，最近距離5500萬公里，最遠(yuǎn)距離則要超過4億公里。從地球向探測器發(fā)送管控指令，假設(shè)管控指令通過電磁波的方式到達(dá)月面需要1.28秒，那么，到達(dá)5500萬公里以外的火星，就起碼需要180秒。如果在4億公里以外與地球?qū)υ挘畔l(fā)送一個(gè)來回則要40分鐘。當(dāng)在地球上發(fā)出的電磁波經(jīng)過漫長的距離后，信號(hào)會(huì)衰減，需要更大更靈敏的天線進(jìn)行接收。

在專家看來，2020年中國的地面測控網(wǎng)應(yīng)能做到對(duì)火星探測器的管控。原因在于：2018年5月，中國的月球中繼衛(wèi)星“鵲橋”搭乘長征四號(hào)丙運(yùn)載火箭升空，衛(wèi)星由火箭送入近地點(diǎn)約200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)約40萬公里的地月轉(zhuǎn)移軌道。之后，通過“鵲橋”，人們看到了月球背面的模樣。

盡管僅僅是一顆月球中繼衛(wèi)星，但“鵲橋”卻擁有幾個(gè)世界之最——擁有深空探測器最大口徑通信天線——達(dá)4.2米直徑的“巨傘”張開后，可以為嫦娥四號(hào)著陸器、巡視器與地面測控站之間的“地月對(duì)話”提供便利。除了“巨傘”，“鵲橋”中繼星還有一面超高清“反光鏡”——激光角反射器。地球觀測站發(fā)出的激光波束，可以準(zhǔn)確找到40多萬公里外高速飛行的“鵲橋”中繼星，通過發(fā)送、接收的時(shí)間差，計(jì)算出星地距離，這是人類歷史上最遠(yuǎn)距離的激光測距試驗(yàn)。

回顧人類探索火星的歷程，至今為止共發(fā)射過40多個(gè)火星探測器，成功率僅為50%。業(yè)內(nèi)甚至有人稱火星為“探測器墳場”。

事實(shí)證明，在某些技術(shù)領(lǐng)域，“鵲橋”已經(jīng)超出了之前探測火星國家所用的中繼衛(wèi)星。

掌握了先進(jìn)的中繼衛(wèi)星技術(shù)，未來，中國發(fā)射到火星的探測器，也將由先進(jìn)的中繼衛(wèi)星引導(dǎo)，與地球測控系統(tǒng)聯(lián)系。即便如此，由于屆時(shí)火星探測器距離地球確實(shí)較遠(yuǎn)，信號(hào)往返于地球和火星之間的時(shí)間較長，在大多數(shù)情況下，探測器主要得靠自主控制，獨(dú)立完成帆板展開、對(duì)日定向、制動(dòng)捕獲、器器分離和故障診斷等功能。

大功率火箭助力著陸火星

周偉江曾表示，在進(jìn)行火星探測器設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須處處受到嚴(yán)格的重量限制?！氨热绶罒岵牧?，如果用少了，著陸器會(huì)被燒壞；多用一點(diǎn)，重量就會(huì)超標(biāo)。各系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)要精打細(xì)算，一點(diǎn)點(diǎn)摳，幾乎不容許有余量?！?/p>

回顧人類探索火星的歷程，至今為止共發(fā)射過40多個(gè)火星探測器，成功率僅為50%。業(yè)內(nèi)甚至有人稱火星為“探測器墳場”。

火星探測，起始于1960年代的蘇聯(lián)。不過，整個(gè)1960年代，蘇聯(lián)發(fā)射往火星的探測器幾乎全部失敗。美國在經(jīng)歷了最初的失敗后，于1964年11月28日向火星發(fā)射了“水手4” 號(hào)，終于于1965年7月14日到達(dá)火星表面上空9800公里處，并向地球傳回了21張照片。這是人類太空探測器有史以來第一次到達(dá)火星附近并傳回照片。之后，美國又開啟了“海盜”號(hào)、“火星探路者”、“火星環(huán)球勘測者”等計(jì)劃，這些探測器都曾成功著陸火星。但美國也有失敗的案例，較近的例子是——1999年9月23日，美國“火星氣候”軌道器在即將進(jìn)入預(yù)定軌道前燒毀。

歐洲探索火星失敗的例子也不少，譬如2003年12月，歐洲“獵兔犬2”號(hào)著陸器與“火星快車”軌道器分離后，準(zhǔn)備在火星表面著陸時(shí)失蹤了；2016年10月20日，歐洲“火星生物學(xué)-2016”中的“夏帕雷利”進(jìn)入、降落和著陸演示器在著陸前與地面失去了聯(lián)系，原因由一個(gè)僅一秒的計(jì)算失誤所致。

至于俄羅斯，2011年11月8日發(fā)射的福布斯-土壤號(hào)火星探測器變軌失敗，由此也導(dǎo)致了中國搭載的螢火1號(hào)火星探測器的失敗。

就美國來說，迄今為止最為成功的火星探索行動(dòng)，是2011年11月26日發(fā)射的好奇號(hào)火星探測器，其于2012年8月6日成功著陸火星表面。好奇號(hào)原本的設(shè)計(jì)壽命是一年——不是地球的一年，而是火星上的一年，相當(dāng)于地球上的687天，或者火星上的669天。然而，就目前情況看，好奇號(hào)仍在不斷向地球發(fā)回信息。2018年6月7日，美國國家航空航天局公布的信息稱，好奇號(hào)在火星巖石和大氣中發(fā)現(xiàn)新證據(jù)，說明這顆紅色行星可能曾經(jīng)存在生命，甚至可能仍存在生命。經(jīng)過2018年9月的短暫故障，2018年11月，好奇號(hào)竟然重新恢復(fù)工作，繼續(xù)超期服役。

美國嘗到了探測器成功著陸火星并超期服役的甜頭，于2018年5月5日，通過“宇宙神”V-401型火箭像火星發(fā)射了洞察號(hào)火星探測器。洞察號(hào)于2018年11月26日成功著陸火星。

在2007年于印度海德拉巴舉行的第58屆國際宇航聯(lián)合會(huì)大會(huì)上，美國國家航空航天局曾宣布，將于2037年派宇航員前往火星。2015年12月，美國國家航空航天局還展開了招聘工作，并稱，成功申請(qǐng)者將有機(jī)會(huì)前往火星上班。而實(shí)際上，這些新招募的宇航員，更可能先搭乘SpaceX公司的載人版龍飛船，前往國際空間站工作，給人類火星之旅做準(zhǔn)備而已。

作為航天領(lǐng)域的后起之秀，中國做了很多年的準(zhǔn)備，值此嫦娥四號(hào)任務(wù)圓滿完成之際，拉開了深空探測工程的序幕，準(zhǔn)備向火星進(jìn)發(fā)，并希望一步實(shí)現(xiàn)繞火星的探測和著陸火星表面的巡視。

“2016年11月3日，中國的長征五號(hào)火箭在海南文昌發(fā)射場首飛成功。長征五號(hào)綽號(hào)‘胖五，其近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到25噸，地球同步軌道運(yùn)載能力達(dá)到14噸。這說明中國的大火箭研制工作有了突破?！睂＜艺J(rèn)為，長征五號(hào)火箭非常適合中國2020年發(fā)射的火星探測器。而據(jù)歐陽自遠(yuǎn)說，2019年嫦娥五號(hào)前往月球，就將重新啟用長征五號(hào)火箭來發(fā)射。

前不久在北京舉辦的“太空探索與人類未來”主題論壇上，國家航天局系統(tǒng)工程司司長李國平披露，2020年發(fā)射火星探測器后，中國計(jì)劃在2028年左右進(jìn)行火星探測的第二次任務(wù)，屆時(shí)，探測器不僅要到達(dá)、著陸火星，還將采樣火星上的土壤返回地球。2030年前后開展對(duì)木星系和行星系的探測。

《新民周刊》記者了解到，屆時(shí)，中國推力更大的火箭——近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到140噸的長征九號(hào)火箭，將不僅完成將探測器發(fā)送到火星的任務(wù)，還將載著裝有火星標(biāo)本的探測器回家。按照航天科技集團(tuán)一院總體部總體室主任何巍的話說：“長征九號(hào)的規(guī)模和性能與美國的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）處于同一量級(jí)。長征九號(hào)運(yùn)載火箭的研制成功將滿足未來較長時(shí)期國內(nèi)深空探測、載人月球探測等國家重大科技活動(dòng)的任務(wù)需求，可保障我國在未來宇宙探索和空間開發(fā)中立于優(yōu)勢(shì)地位?！笨傊?，有了更大個(gè)頭的火箭，對(duì)于探索火星來說，就會(huì)更有安全保障。

至于我們?yōu)楹我谔皆轮筇剿骰鹦?，在接受《新民周刊》記者采訪時(shí)，航天專家李必光如此解讀：“探月重點(diǎn)是為了尋找資源和能源，以便人類去開發(fā)；而探火最關(guān)心的是生命探尋及其演化歷史?；鹦亲钕竦厍颍懿荒芨脑斐蔀榈诙€(gè)地球，以供人類移居，是我們最感興趣的問題?！?/p>