2019年11月14日，中國首次火星探測任務(wù)著陸器懸停避障試驗在河北懷來地外天體著陸綜合試驗場進(jìn)行。這也是中國火星探測器的首次公開亮相，國家航天局特意邀請了一些外國駐華使館及國際組織人員前來參觀。

測試中的火星著陸器

試驗成功模擬了著陸器在火星環(huán)境下懸停、避障、緩速下降過程，這也基本意味著我國首次火星探測任務(wù)正在逐步成熟，能夠于2020年擇機(jī)實施。按照計劃，我國將在2020年7月——“火星探測時間窗口”進(jìn)行一次發(fā)射任務(wù)，抵達(dá)火星后將實現(xiàn)“繞”、“著”、“巡”三大任務(wù)，進(jìn)行火星全球性綜合探測，同時也會對火星表面重點地區(qū)精細(xì)巡視勘查，實現(xiàn)人類對鄰居火星研究的又一次重大突破。

中國人，距離首次觸碰火星，越來越近了!

Part.1

為什么我們選擇火星？

人類如果想要沖出地球、達(dá)到下一個行星、甚至沖出太陽系，基本只能先從火星和金星兩個鄰居開始。它們和地球同處太陽系內(nèi)的宜居帶內(nèi)、同屬于巖質(zhì)行星、擁有孕育生命的可能性。

然而，人類經(jīng)過航天探索發(fā)現(xiàn)，金星環(huán)境實在太過惡劣：氣壓是地球的92倍，空氣中幾乎全是二氧化碳，并且布滿了稀硫酸云。地表溫度常年保持在460攝氏度，人類根本無法生存。

相較而言，火星的條件“優(yōu)越”不少，幾乎是人類航天探索下一站唯一的選擇。

地球和火星尺寸對比

第一，火星的潛在資源豐富。包括擁有太陽系第一大高山(奧林帕斯山)和第一大連續(xù)峽谷(水手號);陸地面積大，火星總表面積雖然僅有地球的28%左右，但需要注意，這可是純陸地，已經(jīng)接近地球上人類生存的七大洲面積總和;火星上大氣雖然稀少，但是以二氧化碳為主，可以作為開發(fā)資源。

第二，多年的科研發(fā)現(xiàn)，火星南北極存在不亞于地球上格陵蘭島的淡水資源，土壤中廣泛存在2-3%的水分。“火星快車”任務(wù)甚至發(fā)現(xiàn)了疑似地下水湖，火星也存在一定有機(jī)物分子。

第三，火星引力較小、距離小行星帶和太陽系外圍空間更近，在火星上發(fā)射火箭和深空探測的總成本大大低于在地球發(fā)射，是人類未來深空探測發(fā)展中航天基地的不二之選。

如果人類航天的未來是宇宙的星辰大海，中國人沒有任何理由不去探測火星!

Part.2

抵達(dá)火星有多難？

近半數(shù)火星探測任務(wù)以失敗告終

早在上世紀(jì)60年代，處在冷戰(zhàn)“太空競賽”巔峰狀態(tài)的蘇聯(lián)和美國便展開了瘋狂的火星探測競賽。但大家很快發(fā)現(xiàn)：抵達(dá)火星實在太難了!

地球和火星距離變化

首先，火星實在太遠(yuǎn)了。月球和地球的平均距離為38萬千米，對于人類而言，已經(jīng)是極其遙遠(yuǎn)的存在。但月球圍繞地球運動且軌道偏心率很小，與地球的距離相對穩(wěn)定。

而火星距離地球在5000萬——4億千米左右，平均距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地月距離，并且這個范圍變化區(qū)間實在太大。在地球上，僅需0.13秒就能實現(xiàn)任意兩點的通信，地月之間則需要2.5秒，可是，當(dāng)?shù)厍蚺c火星處于最大距離時，即便是光速通信也會有44分鐘的延時。

Part.3

地火距離和它的變化帶來了一系列新問題

1、探測機(jī)會難得。即便是派出人類最快的探測器前往火星，也需要老老實實等待每隔780天、約26個月出現(xiàn)的一次地球、火星逼近的機(jī)會，這就是所謂的“火星探測窗口”，一旦錯過就需要等待兩年多。

2、需要強力火箭。探測器要實現(xiàn)環(huán)繞地球運動，需要擺脫空氣和一部分地球引力影響;如果想要前往更高軌道、甚至前往月球，需要擺脫更多地球引力影響;但如果前往火星，不僅需要完全擺脫地球引力、還需要擺脫太陽強大引力影響。這意味著更強大的火箭是探測火星的先決條件。

一次標(biāo)準(zhǔn)的霍曼轉(zhuǎn)移軌道

3、軌道設(shè)計復(fù)雜。由于人類火箭依然只能局限于化學(xué)燃料，能力有限。探測器飛往火星之旅只能選擇一個叫做“霍曼轉(zhuǎn)移”的方式，一種變換太空船軌道的方法，或它的略微改進(jìn)版方式——“快速合點航線”。但這個過程耗時普遍在6-11個月不等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于地月之間的3天左右。

同時，這些線路會受到太陽系內(nèi)多個天體的擾動，還有太陽風(fēng)、空間輻射等的復(fù)雜影響。此外，火星與地球并不處在同一平面內(nèi)。深空探測任務(wù)往往“失之毫厘，謬以千里”，軌道設(shè)計難度可想而知。

4、探測器必須功能強大。一方面，探測火星的成本極高，如果只是進(jìn)行簡單工程驗證并不值得，必須搭載各種科學(xué)儀器才能換回相應(yīng)價值。另一方面，由于距離問題，探測器的深空通信、自主導(dǎo)航制導(dǎo)控制和自我故障檢測修復(fù)功能等必須獨立且強大，這進(jìn)一步推高了成本。

5、抵達(dá)火星很難。探測器達(dá)到火星附近后，需要被火星引力俘獲。相比較地球而言，火星只是個小不點，質(zhì)量僅有地球的10.7%，引力影響范圍很小，這要求探測器必須精準(zhǔn)切入環(huán)繞火星軌道。同時，必須擁有強大的變軌能力，能完成改變軌道、大幅增加燃料需求。抑或是采取一種“刀尖上舞者”的方案：利用火星稀薄大氣摩擦減速，這個方案是典型的“玩火”。NASA于1998年發(fā)射的“火星氣候勘探者”號就不幸在大氣摩擦減速過程中被焚毀。

切入環(huán)繞火星軌道時不小心“玩火自焚”的“火星氣候勘探者號”任務(wù)(圖源：NASA)

6、需要復(fù)雜地面設(shè)施。火星探測任務(wù)非常遙遠(yuǎn)，且與地球通信時間極其寶貴，這要求地球上必須有全天域覆蓋的強大深空通訊網(wǎng)絡(luò)。

因此，綜合下來探測火星的難度極大，幾十年來，火星探測成功的概率統(tǒng)計下來還不足一半。早期的成功率更是慘不忍睹，蘇聯(lián)在1960-1988年間進(jìn)行了近20次探測任務(wù)，但沒有一次取得完全成功。即便是后來占據(jù)領(lǐng)先地位的美國，也是在進(jìn)入21世紀(jì)前后，才迎來比較穩(wěn)定的成功。

Part.4

降落火星，更是難于上青天

而上述所說的，還僅僅是實現(xiàn)環(huán)繞火星的難點，要完成降落火星的任務(wù)，還需要克服一系列更復(fù)雜的問題。

1、火星大氣?；鹦莾H擁有極其稀薄的大氣，含量甚至不足地球海平面平均密度的1%，但它卻成為讓科學(xué)家又愛又恨的存在。

愛在于：雖然大氣稀薄，但不像月球一樣近乎真空，科學(xué)家可以利用它產(chǎn)生的摩擦力對探測器進(jìn)行減速。

恨在于：它依然可以產(chǎn)生非常多的熱量，高達(dá)2000攝氏度。但它的密度又不足以讓探測器完全減速，到最后還是需要反沖火箭發(fā)動機(jī)長期工作以實現(xiàn)懸停、避障、降落，也就是中國本次試驗的核心技術(shù)。

本次試驗探測器在火星低重力環(huán)境下懸停

因而，一個火星著陸器既需要隔熱罩隔絕熱量，還需要配備減速、降落傘進(jìn)一步減速，同時也要反沖發(fā)動機(jī)聯(lián)合工作，幾乎湊齊了人類現(xiàn)有的降落技術(shù)，整體設(shè)計難度陡增。

2、能量來源。火星距離太陽更遠(yuǎn)，火星能接觸的太陽能僅是地球的44%左右。由于長期風(fēng)化，火星上沙塵非常細(xì)密，缺乏溫室效應(yīng)又導(dǎo)致火星不同區(qū)域氣壓差很大，進(jìn)一步導(dǎo)致存在很強力的風(fēng)，使得火星上經(jīng)常出現(xiàn)沙塵暴，這也是導(dǎo)致去年“機(jī)遇號”火星車失聯(lián)的直接原因。因而，火星著陸器要么選擇太陽能，但要面對能量低、風(fēng)險高的困難;要么選擇極其昂貴的核電池，且由于火星夜晚過于寒冷，必須攜帶熱源保溫。

3、通信問題。受限于著陸過程帶來的巨大成本和能量問題，地面著陸器不可能攜帶強有力、大功率的通信天線，也基本不可能直接與地球聯(lián)系，這意味著它和地球之間還必須有一個“烽火臺”進(jìn)行“傳話”，要求必須在環(huán)繞火星軌道準(zhǔn)備一個軌道器轉(zhuǎn)發(fā)信號。

4、自主導(dǎo)航。標(biāo)準(zhǔn)的火星著陸過程持續(xù)時間僅7分鐘左右，這甚至不足以完成一次地火通訊，這意味著全程超過1000個動作的降落過程必須依靠探測器自主完成，對軟件和硬件的要求極高。

好奇號火星車降落火星過程自主完成了超過1000個動作(圖源：NASA)

5、科研問題。定點著陸器有一個顯而易見的缺點：不能動。因而，能夠移動的火星車毫無疑問能大大豐富火星著陸任務(wù)的探測范圍和科研產(chǎn)出。但火星車實現(xiàn)自身著陸難度非常難、成本過高，需要根據(jù)任務(wù)目標(biāo)和預(yù)算綜合考量。

因而，降落火星的難度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“上九天攬月”。

Part.5

中國做了哪些準(zhǔn)備？

相信讀到這里，大家一定已經(jīng)充分理解了探測火星是一件多么困難的任務(wù)，一旦成功又將是多么偉大的成就，尤其是火星著陸任務(wù)。在大家看到11月14日這條新聞前，航天人已經(jīng)為之做了無數(shù)的努力。

1、火箭方面：2015年，最強火箭長征五號已經(jīng)實現(xiàn)突破，目前正整裝待發(fā);

2、軌道設(shè)計方面：2012年，嫦娥二號探測器已經(jīng)實現(xiàn)過飛越日地拉格朗日點(指衛(wèi)星受太陽、地球兩大天體引力作用，能保持相對靜止的點)、飛越圖塔蒂斯小行星和進(jìn)入深空7000萬千米的壯舉;

3、著陸技術(shù)方面：在有大氣情況下著陸，已經(jīng)有了神舟1-11號飛船驗證;在無/稀薄大氣情況著陸，已經(jīng)有了嫦娥三號和嫦娥四號任務(wù);

4、深空通信地球方面：深空通訊網(wǎng)已經(jīng)初步建成，還有萬噸級遠(yuǎn)望號航天測量船輔助;

5、深空通信中繼方面：2018年中國發(fā)射了人類唯一的地月通信中繼衛(wèi)星“鵲橋號”;

6、火星車方面：中國已有了玉兔號和玉兔二號月球車，其中玉兔二號已經(jīng)工作近1年;

等等。

中國2020年火星探測器組合體概念圖

在這些周密的準(zhǔn)備下，2020年中國火星探測任務(wù)終于迎來了目前的核心測試。按照計劃，它將在2020年7-8月的火星探測窗口從新建的海南文昌火箭發(fā)射基地乘坐長征五號，出發(fā)前往火星，同時實現(xiàn)“繞”、“著”、“巡”三步驟的任務(wù)。

1、軌道器主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)整體切入環(huán)繞火星軌道，進(jìn)行全球勘探科研。用來研究火星全球磁場、表層元素、大氣和中性粒子、全球地貌(高程)等，同時作為地面著陸系統(tǒng)的通信中繼系統(tǒng)。

中國火星探測著陸器和火星車組合方案

2、著陸器主要負(fù)責(zé)軟著陸過程

，降落在火星表面，同時分析著陸點附近的情況，另一主要目標(biāo)是釋放火星車。

中國火星車概念圖

3、巡視器/火星車：

包括，火星車底部裝有地表穿透雷達(dá)，可以研究火星土壤深處的元素分布情況。磁場感應(yīng)設(shè)備，可以確認(rèn)著陸和巡視區(qū)域的地表磁場情況。此外，重頭戲?qū)⑹茄芯垦惨晠^(qū)域的土壤和巖石主要成分，查看常規(guī)的水、元素構(gòu)成，同時，有機(jī)物也是一個需要搜尋的目標(biāo)。作為一個整體的系統(tǒng)，火星車也會攜帶有導(dǎo)航、避障設(shè)別、微距相機(jī)等，為我們帶來更多火星表面的細(xì)節(jié)。通訊設(shè)備、太陽能電池板、電池也是基本組成。

從整體組成來看，中國這一套組合有一定必要性，尤其是軌道器和著陸器的配合。此前中國已經(jīng)有了“鵲橋號+嫦娥四號+玉兔二號”在月球?qū)嵺`過的工程經(jīng)驗，這套裝備也有足夠的工程可行性。然而，將它們?nèi)诤锨仪巴鹦?，也意味著難度會很大，如果順利實現(xiàn)，我們將創(chuàng)造人類火星探測史的新高度。就像嫦娥四號和玉兔二號是人類首次著陸月球背后的壯舉一樣，中國火星探測或許將再一次令世人驚嘆。

踏上火星，距離人類成為可跨越行星生存的物種將又進(jìn)一步。我們期待這一天的到來!

關(guān)鍵詞： 火星探測