探測火星

周穎

隨著航天科技的發(fā)展，人類對于行星探索的興趣與嘗試與日俱增。其中，火星是全球最為熱門的行星“旅行地”。

由于火星是太陽系中距離地球較近的行星之一，其自然環(huán)境與地球極為相似。火星探測不僅有助于探究火星生命的存在和演化過程等問題，更可借此了解地球的演化歷史、預(yù)測地球未來變化趨勢，為人類開辟新的生存空間尋找潛在目標(biāo)。

尋找地外生命和研究火星的形成演化過程是火星探測的兩大科學(xué)主題。中國發(fā)射火星探測器，既是為了研究火星，為人類尋找未來家園，也是為了能夠反觀自身，探究地球的過去和將來。

根據(jù)計劃，中國首次火星探測將通過一次成功的發(fā)射，實現(xiàn)一次性完成“ 環(huán)繞、著陸、巡視”三個目標(biāo)的探測方案，在全球尚屬首次。2020 年7 月23 日，我國成功發(fā)射“天問一號”火星探測器，標(biāo)志著中國將成為世界上探測火星首次完成軟著陸任務(wù)的國家，并成為繼美國之后第二個完成火星漫游的國家。

這段看似簡單的旅程，實際上充滿著挑戰(zhàn)和兇險。目前全球已實施火星探測活動40 多次，但成功率僅有40%。火星探測器發(fā)射升空以后，將飛行7～8 個月的時間，預(yù)計在2021 年2 月到達(dá)火星的引力場以內(nèi)，然后再經(jīng)過火星的捕獲，才能到達(dá)火星。探測器在經(jīng)過長途飛行后，如何成功被火星的引力場捕獲，是此次任務(wù)中的關(guān)鍵點之一。

在漫長旅途中，科學(xué)人員會根據(jù)火星探測器軌道的具體情況，不斷修正探測器的飛行方向，當(dāng)它到達(dá)火星附近時要及時“ 剎車”。而一旦捕獲失敗，探測器將會與火星擦肩而過，“滑”向更遠(yuǎn)的太空。探測器被火星引力場捕獲后，就進(jìn)入火星的循環(huán)軌道，再經(jīng)過多次的調(diào)整，就可以進(jìn)行環(huán)繞火星探測了。

在完成環(huán)繞火星探測之后，火星探測器將降落在火星表面。盡管降落的過程僅有7 分鐘，但這個被稱作“恐怖7 分鐘”的降落過程，卻是整個任務(wù)的關(guān)鍵點。

著陸為何難？著陸時，火星探測器要在7 分鐘內(nèi)將其時速從2 萬千米降低到零，這需要融合氣動外形、降落傘、發(fā)動機、多級減速和著陸反沖等多項技術(shù)，才能實施軟著陸，對軟件和硬件的要求極高。目前，在國際上主要有兩種減速方式。中國以探月工程中的技術(shù)經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，通過四個階段逐步減速，最終使探測器平穩(wěn)到達(dá)火星表面。

第一階段為氣動減速，通過“急剎車”的方式，將火星探測器速度從每秒4.8 千米降至每秒460 米;第二階段為打開降落傘，把火星探測器速度降到每秒95 米;第三階段為動力減速，探測器的反推發(fā)動機點火工作，將火星探測器速度減小到每秒3.6 米;第四階段的最后100 米為懸停避障階段，探測器將懸停在空中，對火星表面進(jìn)行觀察，為選定著陸點做最后準(zhǔn)備。

著陸器在火星表面軟著陸成功后，將釋放火星車，在火星表面進(jìn)行巡視探測、研究火星地貌特征等多項任務(wù)?；鹦擒嚥⒎恰?不休不眠”。為規(guī)避火星極端天氣的影響，火星車將設(shè)置自主休眠和自主喚醒功能。就像正在月球上忙碌的“嫦娥四號”和“玉兔二號”一樣，火星車的探測工作也講究“勞逸結(jié)合”。

由于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇髸r延，要求火星車必須具有很高的自主能力。同時，火星光照強度小，加上火星大氣對陽光的削減作用，火星車能源供給比月球車更為困難。這些因素都使得火星探測任務(wù)更具難度和復(fù)雜性。