人類“探火”，步步驚心

奔向火星的過(guò)程中，最大的難點(diǎn)在于“恐怖7分鐘”，即著陸巡視器在進(jìn)入、下降與著陸過(guò)程中，要在7分鐘內(nèi)將探測(cè)器速度從2萬(wàn)千米/小時(shí)降低到零，這需要每個(gè)環(huán)節(jié)都必須精準(zhǔn)無(wú)誤，其難度不亞于“在巴黎打一個(gè)高爾夫球要落到東京的一個(gè)洞里”。

7月23日，搭載著“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器的長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射。這是我國(guó)首次自主探測(cè)火星。得益于多項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用，我國(guó)有望成為全世界首個(gè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視的國(guó)家。

歷史上，火星探測(cè)成功率僅43%

火星是太陽(yáng)系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類似的行星之一，一直以來(lái)都是人類深空探測(cè)的熱點(diǎn)。60年前，人類就開(kāi)啟了對(duì)火星的探險(xiǎn)之旅。

1960年10月，蘇聯(lián)向火星先后發(fā)射了兩枚探測(cè)器——“火星1A”號(hào)和“火星1B”號(hào)。但可惜的是，“火星1A”號(hào)發(fā)射之后第三級(jí)火箭點(diǎn)火失敗，僅飛至距地面120千米就報(bào)廢了;“火星1B”號(hào)的火箭引擎則直接爆炸，空中落下的碎片甚至污染了整個(gè)發(fā)射場(chǎng)。

美國(guó)對(duì)火星的探索也是開(kāi)端不利。1964年，剛剛成立不久的美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射了“水手3號(hào)”火星探測(cè)器。當(dāng)穿過(guò)地球大氣層時(shí)，探測(cè)器的一個(gè)保護(hù)盾未能推出，結(jié)果所有的探測(cè)儀器都沒(méi)能打開(kāi)，美國(guó)的第一次嘗試宣告失敗。

直到1964年10月，美國(guó)“火星4號(hào)”火星探測(cè)器向地球傳回了人類史上第一張有關(guān)火星表面的最近距離的圖像，同時(shí)回傳的還有500多萬(wàn)個(gè)比特的科學(xué)信息?？梢哉f(shuō)，這一次任務(wù)開(kāi)啟了人類空間探索的新時(shí)代。

接下來(lái)的幾年，蘇聯(lián)向火星附近發(fā)射探測(cè)器又經(jīng)歷了幾次失敗。 進(jìn)入21世紀(jì)，用軌道器探測(cè)火星迎來(lái)了黃金時(shí)代。美國(guó)、歐洲航天局相繼成功發(fā)射了火星探測(cè)器，印度也加入到火星探索競(jìng)賽中，發(fā)射了首顆“火星軌道任務(wù)”探測(cè)器。然而，人類探測(cè)火星的征程并未就此一帆風(fēng)順。2011年，俄羅斯的“火衛(wèi)-土壤”星際探測(cè)器由于發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，未能將其送入飛往火星的軌道，所搭載的中國(guó)火星探測(cè)器“螢火一號(hào)”也一同宣告“探火”失敗。

數(shù)據(jù)顯示，自1960年以來(lái)，美國(guó)、蘇聯(lián)（俄羅斯）、日本、歐洲和印度先后進(jìn)行了44次火星探測(cè)項(xiàng)目，但成功和部分成功的任務(wù)僅有23次，完全成功率是43%，其余的項(xiàng)目都出現(xiàn)探測(cè)器撞毀、失靈或失蹤。什么是部分成功？全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩解釋說(shuō)：“如蘇聯(lián)‘火星3號(hào)探測(cè)器，在降落火星后只發(fā)回20秒信號(hào)就失聯(lián)了，有專家說(shuō)成功，也有人說(shuō)不成功?！?/p>

國(guó)產(chǎn)神器破解“恐怖7分鐘”

在未來(lái)，火星幾乎是唯一存在移民可能性的行星。這也是世界各國(guó)熱衷探索火星的重要原因。我國(guó)火星探測(cè)雖然起步晚，但是起點(diǎn)高?！疤靻?wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)的最大亮點(diǎn)是通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項(xiàng)任務(wù)，即一次完成“繞著巡”。這在人類火星探測(cè)史上是前所未有的。

面對(duì)遙遠(yuǎn)而未知的星球，“天問(wèn)一號(hào)”奔赴火星的旅程中不可避免地要經(jīng)受新環(huán)境的考驗(yàn)?，F(xiàn)有資料顯示，火星上大氣稀薄，有風(fēng)場(chǎng)、塵暴、火面地形地貌等，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)非常少，而且不確定性大，嶄新的行星際空間環(huán)境使得原本風(fēng)險(xiǎn)極高的探測(cè)任務(wù)難上加難，而最遠(yuǎn)長(zhǎng)達(dá)4億公里的距離以及超遠(yuǎn)距離帶來(lái)的通信延時(shí)等問(wèn)題，同樣約束著探測(cè)器的發(fā)揮，探測(cè)器要求有非常強(qiáng)的自主能力。此外，火星成功進(jìn)入和著陸、測(cè)控通信，火星車能源、熱控、火面移動(dòng)等一系列設(shè)計(jì)難題，也給探測(cè)器研制帶來(lái)方方面面的巨大挑戰(zhàn)和不確定性。

奔向火星的過(guò)程中，最大的難點(diǎn)在于“恐怖7分鐘”，即著陸巡視器在進(jìn)入、下降與著陸過(guò)程中，要在7分鐘內(nèi)將探測(cè)器速度從2萬(wàn)千米/小時(shí)降低到零，這需要包括氣動(dòng)減速、降落傘減速和反推減速等多種減速手段融合實(shí)現(xiàn)，每個(gè)環(huán)節(jié)都必須精準(zhǔn)無(wú)誤，其難度不亞于“在巴黎打一個(gè)高爾夫球要落到東京的一個(gè)洞里”。為此，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院所屬航天材料及工藝研究所研制了專門的新型熱防護(hù)材料結(jié)構(gòu)。這種熱防護(hù)材料結(jié)構(gòu)由超輕質(zhì)的蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料和超輕質(zhì)的燒蝕防熱涂層材料組成，探測(cè)器著陸的時(shí)候，材料表面與火星大氣摩擦并發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，帶走大量的熱量，有效保護(hù)探測(cè)器不被燒壞。

今年火星為啥這么“火”

幾乎是前后腳，7月20日凌晨，阿聯(lián)酋“希望號(hào)”火星探測(cè)器成功發(fā)射。3天后，中國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器在海南島東北海岸成功飛天。幾天后，美國(guó)“毅力號(hào)”探測(cè)器也將奔向火星。

中國(guó)國(guó)家航天局探月與航天工程中心深空探測(cè)總體部部長(zhǎng)耿言稱，由于2020年正值地球發(fā)射火星探測(cè)器的窗口期，美國(guó)、中國(guó)、阿聯(lián)酋3個(gè)國(guó)家將在火星地表采樣、區(qū)域巡視性探測(cè)、熱大氣層測(cè)量等方面執(zhí)行探測(cè)任務(wù)，從而為生命起源及演變、探索人類新家園等方面的研究提供重要支撐。

“雖然美、中、阿三國(guó)都在2020年夏執(zhí)行火星探測(cè)任務(wù)，但由于技術(shù)水平、項(xiàng)目進(jìn)度、科研側(cè)重點(diǎn)等方面的不同，各國(guó)的探測(cè)任務(wù)執(zhí)行上存在一定的差別。”耿言說(shuō)。

據(jù)耿言分析，除中、美、阿三個(gè)國(guó)家，歐盟、俄羅斯、印度等雖然于今年并未明確火星探測(cè)計(jì)劃，但也已擁有一定的技術(shù)基礎(chǔ)或項(xiàng)目支持?？傮w來(lái)看，隨著2020年三大“探火”項(xiàng)目的相繼開(kāi)展，針對(duì)以火星為代表的深空探測(cè)項(xiàng)目，相關(guān)國(guó)家會(huì)持續(xù)加大投入力度，從而在這一涉及“地外資源”的未知領(lǐng)域中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。比如，歐盟和俄羅斯原計(jì)劃于今年執(zhí)行“ExoMars2020”任務(wù)，用于評(píng)估火星的地質(zhì)景觀及其微觀組成，以及嘗試挖掘埋藏在火星地表下的生命元素。

然而，由于俄羅斯方面的傘降系統(tǒng)以及歐洲方面的飛行軟件存在一定風(fēng)險(xiǎn)，該計(jì)劃最終被推遲到2022年執(zhí)行。對(duì)此，兩國(guó)官方的聯(lián)合聲明表示，歐洲國(guó)家新冠肺炎疫情普遍惡化影響了“ExoMars2020”研制的最后階段。耿言稱，鑒于雙方從2016年起便開(kāi)始相關(guān)合作，技術(shù)積累較為充足，未來(lái)將在深空探測(cè)領(lǐng)域有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

另外，值得一提的是印度。印度今年重點(diǎn)任務(wù)中有太陽(yáng)探測(cè)計(jì)劃，起點(diǎn)更高、技術(shù)難度更大，一旦成功將有力提升印度的國(guó)際地位。

（《中國(guó)新聞周刊》等）