火星探測為什么比月球探測更難？

于遠航

2020年7月23日，“長征五號”運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場首次執(zhí)行應用性發(fā)射，成功將首次火星探測任務“天問一號”探測器精準送入地火轉移軌道。眾所周知，我國已經(jīng)成功進行了4次月球探測，也成功地在月面著陸，并利用“玉兔號”月球車進行了巡視探測。那么，火星探測為什么比月球探測難度更大？兩者又有哪些區(qū)別？

火星探測難題更多

實際上，火星探測和月球探測的區(qū)別非常大。從統(tǒng)計數(shù)字來看，人類對月球探測的成功率約為76%，而對火星探測的成功率僅為50%多，顯然，火星探測更為兇險、難測。

雖然月球與火星都是地外星球，但它們有很多不同之處。從距離上來說，月球繞地球公轉，離地球時近時遠，最近時約36萬千米，最遠時約40萬千米，平均距離約為38萬千米。而火星以橢圓軌道繞太陽飛行，它與地球的最近距離約為5500萬千米，最遠距離則超過4億千米。相比月球探測，執(zhí)行火星探測需要面對地火最遠距離約為地月距離1000倍的事實，需要解決的問題更多。

另外，發(fā)射窗口也大不相同。大約每隔26個月就會發(fā)生一次火星沖日，這時航天器從地球出發(fā)到達火星所需要的能量最少，也就成為了最佳的火星發(fā)射窗口，否則就需要再等兩年。而月球探測的窗口選擇就要寬松得多，大約每個月就有一次。

深空探測器一般分為軌道器、著陸器、巡視器。軌道器主要負責執(zhí)行從與運載火箭分離后到環(huán)繞探測星球這一段的任務，完成深空飛行保障、軌道機動、對目標進行遙感等操作。著陸器則負責執(zhí)行從與軌道器分離到軟著陸于星球表面這一段的任務，完成著陸防護、著陸減速等操作。巡視器主要負責執(zhí)行從與著陸器分離后在星球表面探測這一段的任務，用來完成星球表面行走、原位探測等操作。

進入奔火軌道之后，火星探測器將以第二宇宙速度在這條高速路上全速前進約7個月，其間預計執(zhí)行4次中途修正。而月球探測器一般僅需沿著奔月軌道飛行5天即可進入環(huán)月軌道，其間最多只需要3次中途修正。

火星軌道器面臨的最大問題是通信距離遙遠，以及由此帶來通信時間延長和傳輸速率降低的問題。地球與火星之間的通信單程時延最長約為23分鐘，而地球與月球之間的通信單程時延僅為1秒左右。

換而言之，對于火星探測器來說，地面上發(fā)送一個控制指令上去，到接收到軌道器的反饋，將近1個小時的時間就過去了，這對于軌道器在近火點的點火機動尤為致命。這就要求軌道器的設計更為可靠、更為智能。另外，由于距離遠所引起的信號衰減更嚴重，探測數(shù)據(jù)的傳輸速率嚴重受限，測控及數(shù)傳碼率將低于月球探測1～2個量級以上。

由于月球的自轉和公轉周期一樣，都是1個月，所以在地球上只能看見月球的一面，背向地球的一面永遠看不見。這樣一來，著陸于月球正面的探測器就可以不受任何限制地與地球進行通信，無需中繼通信支持。而火星自轉周期為24小時37分，幾乎和地球上的一樣長?；鹦枪D1周約為687天，約等于地球的兩年。探測器同時受地球、火星、探測器相對運動和地面測控站分布的影響，測控通信難以全空間覆蓋，通信窗口極為有限。由此可見，火星探測軌道器還必須擔負起火星表面與地球之間的通信中繼任務。

著陸方式差別大

著陸器負責克服目標星球引力加速所帶來的影響，承載著陸探測載荷，以可承受的撞擊速度降落于星球表面。這里面影響最大的就是星球表面的大氣。

月球沒有大氣，著陸器只能靠發(fā)動機反推來減小下降速度，有人稱落月探測器著陸過程為“黑色700秒”。而火星有大氣，密度大約只有地球的1%，盡管如此稀薄，但給火星著陸器帶來巨大的麻煩，使得在火星上著陸更不容易，要經(jīng)歷“恐怖7分鐘”。過去的人類火星探測任務中，共有17次嘗試著陸火星，只有8次成功，成功率47.1%.

月球沒有空氣，蘇聯(lián)月球車1號、2號，美國“阿波羅”登月飛船和我國“嫦娥”3號、4號探測器等，都采用了緩沖發(fā)動機反推+著陸腿的方式。而火星上有空氣，在火星上著陸時就需要對高速再入大氣產(chǎn)生的摩擦熱流進行防護。著陸器要裝備類似于“神舟”飛船的熱防護外殼。在速度降低到一定程度時，還需要拋掉防熱大底，展開降落傘減速降落。

火星著陸器的軟著陸方式主要有3種：一是氣囊彈跳式，二是著陸腿式，三是空中吊車式，每種方案都各有優(yōu)缺點。氣囊式比較簡單，成本也低，但只能滿足重量小的探測器軟著陸的要求;空中吊車式反之;著陸腿式介于它們兩者之間。

美國“海盜號”“鳳凰號”“洞察號”等火星著陸器都采用降落傘+緩沖發(fā)動機反推+著陸腿的方式。美國“火星探路者”“火星漫游者”采用降落傘+氣囊彈跳的方式;美國“火星科學實驗室”采用降落傘+緩沖發(fā)動機反推+空中吊車的方式。

我國此次發(fā)射的火星著陸器將采用降落傘+緩沖發(fā)動機反推+著陸腿的方式。具體來說，那就是經(jīng)過氣動外形減速、降落傘減速、反推發(fā)動機減速，展開著陸腿，緩沖著陸到火星表面。

巡視器差異大

即使實現(xiàn)安全著陸，在星球表面行走的巡視器也需要隨時面臨巨大的挑戰(zhàn)。

月球上沒有大氣，所以沒有風雨變幻，無法靠對流的方式來傳遞熱量。月球白天和夜晚的溫差高達310攝氏度。月球白天最高溫度可達150攝氏度，晚上溫度會下降到零下180攝氏度左右，且月球的白天和夜晚各自長達13.5天。這就使得月球巡視器在熱控方面需要特別的設計，尤其要考慮它如何度過漫長而寒冷的月夜。為此我國的“玉兔號”月球車身披“黃金甲”，科研人員還專門為其裝備了核電池這個“暖寶寶”。

而火星上有大氣，溫度差別沒那么大。但大氣運動引起的巨大沙塵暴可是火星獨有的現(xiàn)象，幾乎在每個火星年里都要發(fā)生一次，最大可達地球12級臺風的好幾倍，而且一旦刮起來可持續(xù)3個多月。

火星距離太陽更遠，同樣面積下，太陽光的能量只有月球表面的40%，因此火星巡視器為了接收更多的太陽光，太陽能電池板“翅膀”將變得更大，而且其方向還要不斷調整，努力對著太陽的方向。在塵暴發(fā)生時，火星巡視器受到沙塵的遮蓋，接收到的太陽光能量更是急劇下降，這就必須為火星巡視器設計一個“休眠”模式，耐心等待塵暴過去。

另外，火星表面的重力只有地球的38%，而月球表面的重力約為地球的1/6，相比來說火星重力大多了。因此，火星巡視器的支撐結構也必須設計得更強壯才行，火星巡視器移動也需要更大的功率來驅動。