火星探測(cè)器發(fā)展簡(jiǎn)述及遠(yuǎn)景展望

林來(lái)興（北京控制工程研究所）

1 引言

太陽(yáng)系的八大行星中，只有火星與地球很相似，它的直徑是地球的53%，質(zhì)量為地球的11%。值得注意的是，火星的自轉(zhuǎn)周期以及自轉(zhuǎn)軸傾角和地球差不多，火星與地球很像是“孿生兄弟”。但是，目前的火星卻是一個(gè)地表滿是沙丘、礫石的沙漠行星?；鹦羌炔粶嘏?，也不濕潤(rùn)，沙塵暴也常年發(fā)生,和地球的地質(zhì)活動(dòng)相比，火星顯得很平淡?，F(xiàn)在的很多隕石坑或者峽谷都是在遠(yuǎn)古時(shí)期形成的，但就是這樣一個(gè)紅色的行星，人類偏偏喜歡和它“親近”。根據(jù)目前科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，大約在幾億年前，火星的環(huán)境和現(xiàn)在的地球類似，河流、湖泊以及海洋一應(yīng)俱全。但是不知是何原因，火星變成了如今這副貧瘠的模樣。[1]如果人們可以找出火星環(huán)境改變的原因，那么對(duì)于人類的生存也將具有重大意義。另一方面，對(duì)今天擁有高度發(fā)達(dá)科技的地球人，能否改善火星狀態(tài)，把它變成第二個(gè)地球，例如火星地球化（火星加熱，提高大氣濃度，種草，種樹等），需要幾個(gè)世紀(jì)不斷的努力。

為此，我們對(duì)60年來(lái)全球火星探測(cè)發(fā)展所取得的成績(jī)和寶貴經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的客觀評(píng)價(jià)，并以積極的態(tài)度、科學(xué)的精神漸行前進(jìn)，有計(jì)劃地對(duì)今后發(fā)展做個(gè)較為系統(tǒng)而全面的展望。

2 火星探測(cè)器發(fā)展簡(jiǎn)述

發(fā)射火星探測(cè)器成功與失敗概率及其主要原因分析

我們將60年來(lái)發(fā)射火星探測(cè)器的歷程分為前期與后期兩部分：

（1）前期（1960－1989年）

這一階段歷經(jīng)近30年,全球共實(shí)施了25次火星探測(cè)任務(wù),其中失敗14次,成功6次,部分成功5次。失敗率為56%,完全成功率為24%。[2-3]經(jīng)過研究分析,失敗的主要原因如下：

1）初期人們對(duì)火星情況了解較少,有些甚至停留在天文學(xué)水平；

2）在冷戰(zhàn)期間,以政治目的為需要,爭(zhēng)取第一,有些任務(wù)急忙上馬,在條件不完全具備的情況下也執(zhí)行發(fā)射任務(wù)；

3）初始期間發(fā)射火星探測(cè)器的有關(guān)技術(shù)水平較低,例如,火箭發(fā)射能力與質(zhì)量,遙遠(yuǎn)距離測(cè)控水平與能力等。

（2）后期（1990－2020年）

從1990年到2020年這30年,全球共實(shí)施了22次火星探測(cè)任務(wù)(其中3個(gè)于2020年發(fā)射，現(xiàn)正在途中), 其中失敗6次,成功14次,部分成功2次。完全成功率為64%,失敗率為27%。[3]由此可見,成功率與失敗率前后兩個(gè)階段正好相反。經(jīng)過研究分析,后期任務(wù)成功的主要原因如下：

1）前期所缺少的3個(gè)因素在后期都逐漸克服,并且探測(cè)器在數(shù)量與質(zhì)量方面都有極大提高,從而具備成功基本條件；

2）積極開發(fā)應(yīng)用星載計(jì)算機(jī)與軟件,提高系統(tǒng)可靠性、自主性和智能技術(shù),以適應(yīng)遙遠(yuǎn)的近億千米距離的測(cè)控操作；

3）開展了大量應(yīng)用地面仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,從系統(tǒng)到關(guān)鍵部件與機(jī)構(gòu),采用各種仿真方法(數(shù)學(xué)和物理)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,所有產(chǎn)品和系統(tǒng)都必須通過仿真驗(yàn)證才能出廠,保證了產(chǎn)品和系統(tǒng)的性能和可靠性。

概括分析60年來(lái)火星探測(cè)器的發(fā)展，除了成功率提高以外，探測(cè)能力也有所提升，增加了火星車表面巡視多種探測(cè)手段，以及取樣貯存等，這說(shuō)明火星探測(cè)器發(fā)展是漸進(jìn)的。

60年來(lái)，火星探測(cè)器成功與部分成功所占比例為58%,這相比于地球軌道衛(wèi)星來(lái)說(shuō)是很低的,但是對(duì)近億千米距離的火星來(lái)說(shuō),是中等偏低水平,為此今后還應(yīng)繼續(xù)努力。

火星探測(cè)的關(guān)鍵階段和關(guān)鍵技術(shù)

（1）關(guān)鍵階段

火星探測(cè)器從地球到火星，飛行距離近億千米，歷時(shí)約200天，可以劃分為如下4個(gè)關(guān)鍵階段，確保探測(cè)器安全經(jīng)過關(guān)鍵階段是成功的必要條件。

1）地火轉(zhuǎn)移軌道階段。地球軌道轉(zhuǎn)到火星軌道最佳方案為霍曼變軌,燃耗最小,火箭在此時(shí)刻發(fā)射入軌。太陽(yáng)和地球之間畫一條連線，太陽(yáng)和火星之間畫一條線，這兩條線之間的夾角達(dá)到44°，這就是探測(cè)器和火星相遇的最佳時(shí)間點(diǎn)。在限定的發(fā)射窗口內(nèi)將探測(cè)器送入地火轉(zhuǎn)移軌道是任務(wù)成功的第一步，這個(gè)階段任務(wù)的關(guān)鍵就是保證地火軌道的飛行精度。

2）捕獲火星軌道階段。探測(cè)器達(dá)到火星附近要進(jìn)行軌道捕獲，利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速制動(dòng)。若速度降得不夠多，探測(cè)器將飛離火星。速度降得過大，可能直接撞擊到火星表面或者進(jìn)入大氣層燒毀。

3）進(jìn)入下降著陸（EDL）階段?；鹦翘綔y(cè)器速度要由4～6km/s迅速降到接近0（軟著陸)，而且這段時(shí)間僅有7～8min，是真正的危險(xiǎn)階段，下降速度很大，時(shí)間很短，一旦出問題后果就會(huì)非常嚴(yán)重，探測(cè)器很有可能燒毀。前期發(fā)射的很多火星探測(cè)器都是在此階段損毀。

4）表面巡視探測(cè)階段。首先是分離，要求安全、平穩(wěn)步入火星表面，速度一般較慢，如：天問一號(hào)探測(cè)器的火星車需約10min才能從轉(zhuǎn)移梯子上行駛到火星表面。然后是巡視探測(cè)，火星車設(shè)備與儀器全部啟動(dòng)，火星車按計(jì)劃開始行走探測(cè)。

以上各階段的重要性雖然不盡相同，但是都必須按次序通過，否則探測(cè)任務(wù)將很容易夭折或者失敗。

（2）關(guān)鍵技術(shù)

1）超遠(yuǎn)距離測(cè)控通信技術(shù)。地球與火星最遠(yuǎn)相距約4億千米，通信信號(hào)在如此遙遠(yuǎn)距離的情況下衰減可達(dá)280dB，為了克服巨大的信號(hào)衰減，一方面要依靠提高星載設(shè)備的性能，另一方面更需要地面站設(shè)備的配合，來(lái)提高發(fā)射上行大功率信號(hào)和接收下行微弱信號(hào)的能力，保證火星探測(cè)器與地面站的超遠(yuǎn)距離通信。這就要求在下行傳輸過程中，探測(cè)器上具有較大發(fā)射功率，星載天線具有較大的增益，且地面站足以接收來(lái)自數(shù)億千米遠(yuǎn)的火星探測(cè)器發(fā)回的微弱信號(hào)。同時(shí)，在上行傳輸過程中，要求星上接收機(jī)具有較高的靈敏度。

2）自主導(dǎo)航與控制技術(shù)?；鹦翘綔y(cè)器距離地球遠(yuǎn)，通信時(shí)延大，飛行時(shí)間長(zhǎng)，任務(wù)環(huán)境復(fù)雜，僅依靠地面測(cè)控網(wǎng)的導(dǎo)航與控制，在精度、實(shí)時(shí)性和可靠性等諸多方面受到限制，難以滿足火星捕獲制動(dòng)、進(jìn)入下降著陸等特殊任務(wù)階段的高精度實(shí)時(shí)導(dǎo)航與控制需求，自主導(dǎo)航與控制技術(shù)是解決這些問題的有效途徑，目前已實(shí)現(xiàn)的深空探測(cè)任務(wù)一般都具有一定的自主導(dǎo)航與控制能力。

3）自主管理與故障重構(gòu)技術(shù)。火星探測(cè)器飛行任務(wù)通信時(shí)延大，往返時(shí)間可達(dá)40min；還存在長(zhǎng)達(dá)幾十天的日凌，在此期間，探測(cè)器上下行鏈路受太陽(yáng)影響而惡化，地面站無(wú)法與探測(cè)器建立聯(lián)系。這就要求探測(cè)器具有更強(qiáng)的自主管理與故障重構(gòu)能力，以便在地面授權(quán)的前提下，探測(cè)器自主完成一定飛行任務(wù)，同時(shí)保證探測(cè)器在某些故障和應(yīng)急情況下，自主完成故障診斷、隔離與重構(gòu)。針對(duì)火星探測(cè)長(zhǎng)時(shí)間日凌、大時(shí)延通信的任務(wù)特點(diǎn)，需要突破自主飛行管理、自主故障診斷與重構(gòu)、未知環(huán)境下的環(huán)境感知與建模、復(fù)雜地形下自主全局定位、自主巡視與生存等關(guān)鍵技術(shù)。

4）進(jìn)入下降著陸技術(shù)。EDL過程飛行環(huán)境動(dòng)態(tài)范圍變化大、不確定性強(qiáng)，是火星著陸任務(wù)成功的關(guān)鍵。針對(duì)火星表面稀薄大氣（僅有地球大氣密度的1%）的特點(diǎn)，EDL技術(shù)涉及到高性能大鈍體氣動(dòng)外形、高效率可控降落傘、高精度高容錯(cuò)自主導(dǎo)航、多約束自適應(yīng)制導(dǎo)與控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

5）地面仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)。針對(duì)火星探測(cè)器和飛行環(huán)境特點(diǎn)，研究火星探測(cè)器地面仿真實(shí)驗(yàn)方法和相應(yīng)的仿真設(shè)備，提高地面仿真實(shí)驗(yàn)逼真度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度，從硬件研制、軟件開發(fā)到系統(tǒng)各個(gè)階段都應(yīng)采用仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)收產(chǎn)品出廠是否合格。這是行之有效提高任務(wù)成功率的方法。

3 火星探測(cè)器的遠(yuǎn)景展望

前期—21世紀(jì)20年代至21世紀(jì)末

從現(xiàn)在起到21世紀(jì)末期，由地球向火星有近40次發(fā)射窗口，每次發(fā)射窗口約有20來(lái)天，總共約有800天，應(yīng)該有計(jì)劃、科學(xué)地利用這些寶貴的發(fā)射窗口時(shí)間。

在這80年里，首先應(yīng)較全面深入了解火星環(huán)境的有關(guān)情況，找出火星變成當(dāng)前狀態(tài)的基本原因，以及火星水資源等；其次要進(jìn)行有關(guān)載人火星飛行需要關(guān)鍵技術(shù)研究與研制和實(shí)驗(yàn)；最后開展實(shí)驗(yàn)性火星機(jī)器人與載人飛行，以及發(fā)射往返載人火星飛船。未來(lái)火星探測(cè)和研究項(xiàng)目的基本內(nèi)容分三個(gè)發(fā)展階段簡(jiǎn)要論述：

（1）第一階段大約需要20年

1）增加火星車數(shù)量與探測(cè)區(qū)域；

2）應(yīng)用軌道器環(huán)繞火星，裝備高分辨率相機(jī)（分辨率為10～15cm），完成火星表面圖像并發(fā)回地球，開展火星全球環(huán)境分析研究；

3）火星車表面巡視探測(cè)，最終要取樣返回地球，要求在不同地區(qū)取樣多次返回地球；

4）向火星發(fā)射機(jī)器人，著陸后開展就位分析并取樣送回地球；

5）應(yīng)用自動(dòng)控制登陸方式收集火星表面土壤樣本，并返回地球。返回時(shí)的推進(jìn)劑要求從火星上的原料中得到。

（2）第二階段大約需要30年

載人火星任務(wù)飛行一次最少也要1.5年時(shí)間,要確保生命保障系統(tǒng)連續(xù)不斷工作,以及保證航天員生活與工作食品與設(shè)備所需裝載等,這比“阿波羅”載人登月難度要高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，而且這些難度不僅只是資金可以解決,更需要一個(gè)時(shí)期來(lái)開展有關(guān)載人火星飛行關(guān)鍵技術(shù)研究,例如：

1）研究和設(shè)計(jì)出連續(xù)工作1.5～2年，能容納3名航天員的空間飛行生命保障系統(tǒng)，而且當(dāng)中不能從地球得到任何供應(yīng)；

2）研究和發(fā)送一個(gè)耐壓火星車到火星表面上，要求火星車可承載2人在火星表面工作生活一星期的能力，火星車在火星上至少行駛50km，車內(nèi)壓力為地球正常壓力，溫度保持10～30℃；

3）研究和設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)，能夠利用火星上的原料合成推進(jìn)劑，提供5t載荷從火星表面發(fā)射到火星軌道上，要求合成推進(jìn)劑有70%以上質(zhì)量是從火星提供；

4）研究和設(shè)計(jì)一套火星發(fā)電系統(tǒng)，要求在500天中每天平均發(fā)電量大于15kW,同時(shí)要求任何時(shí)候不能少于2kW。

（3）第三階段為21世紀(jì)末之前的30年

經(jīng)過兩個(gè)階段50年的全球火星探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，載人火星探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)將能取得重大突破。到21世紀(jì)末期完全有條件進(jìn)行火星載人飛行實(shí)驗(yàn),采用超大發(fā)射能力運(yùn)載火箭直接從地球發(fā)射到火星表面,然后返回地面。

1）火星仿真搭載機(jī)器人飛行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備完全按真正載人飛行配備，包括生命保障系統(tǒng)，僅是用機(jī)器人替代航天員，這個(gè)實(shí)驗(yàn)全面考驗(yàn)系統(tǒng)各設(shè)備，特別是生命保障系統(tǒng)，要求機(jī)器人出艙取樣，并攜帶小型巖石返回地球；

2）發(fā)射火星載人飛船實(shí)驗(yàn)，要求兩名航天員僅在火星表面停留3～5天，并在當(dāng)年火星發(fā)射窗口返回地面。

后期—22世紀(jì)以后的若干世紀(jì)

截至目前，學(xué)者專家們已經(jīng)發(fā)表許多文章關(guān)于火星地球化的探討，特別是2003年8月在美國(guó)召開了“火星移民研究”國(guó)際會(huì)議，討論在未來(lái)幾個(gè)世紀(jì)中將火星改造成一個(gè)綠色星球，使之成為未來(lái)人類的第二個(gè)家園。從此以后出現(xiàn)諸多關(guān)于火星移民的文章與建議。

在這里本文暫不討論火星地球化的具體內(nèi)容，僅論述它的可能性和實(shí)現(xiàn)性?？赡苄允谴嬖诘模瑢?shí)現(xiàn)性很難說(shuō)，仍是個(gè)未知數(shù)。因?yàn)槭挛镒兓行┦强赡娴?，有些不可逆。?duì)火星地球化可能在小部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)，以后若能自主繼續(xù)發(fā)展并擴(kuò)大區(qū)域，那么將來(lái)在較長(zhǎng)時(shí)期的火星地球化就有望成功，否則若需要再長(zhǎng)期依靠大量人力物力去維護(hù)，那么這些地區(qū)最終也將消亡。

總之，火星若能地球化也需要若干世紀(jì)，這當(dāng)中可以預(yù)見以及可以實(shí)現(xiàn)的是機(jī)器人開采火星上有價(jià)值的資源。

除此以外，研究與發(fā)展火星探測(cè)器技術(shù)重要的還在于科學(xué)意義：一方面，深刻了解火星環(huán)境惡化原因與過程，對(duì)保護(hù)地球和進(jìn)行環(huán)保有重大意義與參考價(jià)值。另外，可帶動(dòng)許多領(lǐng)域科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，對(duì)此，20世紀(jì)70年代的“阿波羅”載人登月就是一個(gè)實(shí)例。