火星探測的中國之路

錢煒

目前中國的深空探測仍然通過院士專家向上打報告、提建議的形式，一事一議，逐一論證。而中國需要一個權威機構，對太空探索和航天事業各個領域進行長遠、統一的規劃，在立項時就對整個太陽系各種主要天體類型有整體考慮

在今年4月公開宣布火星探測任務正式立項之后，僅僅隔了4個月，2016年8月23日，中國就向公眾揭開了首輛火星車的廬山真面目，并開始向全球征集火星探測工程名稱及圖形標識。雖然中國火星探測計劃的啟動落在了印度與日本后面，但一旦邁開獨立探索火星的腳步，就向外界展現出中國速度與非凡決心。

一再推遲的探火計劃

留心航天事業發展的人會發現，中國的火星探測計劃一直在推遲，而科學家們卻對奔向火星揣著一顆“蠢蠢欲動”的心。

2011年，神舟飛船總設計師、工程院院士戚發軔就向外界透露，中國航天界考慮在2013年發射首顆火星探測衛星。當時，他解釋說，雖然這并非政府的正式決策，但是航天界已經完全有能力成功發射火星探測衛星。

8月26日，《中國新聞周刊》一撥通戚發軔的電話，這位一直掛記著中國探火計劃的航天界重量級人物就顯得很興奮，他表示，這件事總算敲定并有了實際進展。實際上，早在2013年，戚發軔在接受媒體采訪時就表態，中國發射火星探測器的時間可能在2015年至2020年間。

對此，剛剛在今年5月首次獲得卡爾·薩根獎的中科院國家天文臺副研究員鄭永春解釋說，國內科學界探測火星的起步其實并不晚，從上世紀90年代末就開始醞釀。

根據繞月探測工程首席科學家、中科院院士歐陽自遠的回憶，2007年，嫦娥一號月球探測衛星成功發射之后，他就聯合探月工程總設計師孫家棟院士及相關領域的其他專家，向有關部門提出建議：嫦娥二號不要去探月了，改為火星探測器。他們曾組織專家進行了可行性論證，結論是，具備在2009年發射火星探測器的條件。很可惜，這一建議未被采納。

2007年，中國和俄羅斯簽署了“螢火一號”合作計劃?！拔灮鹨惶枴贝钶d俄羅斯“福波斯—土壤”火星探測器，發射任務由2009年推遲到2011年11月，但最終因為“福波斯—土壤”變軌不成功，在地球大氣層中墜毀，“螢火一號”計劃夭折。后來，中國自主火星計劃因各種非技術性原因遲遲未能立項。

另一方面，向火星發射探測器每隔26個月才有一次機會，一旦錯過了發射窗口期就需要漫長地等待下一次發射機會。這是因為，理論上說，火星發射的最佳軌道只有一條，即外切于地球公轉軌道、內切于火星公轉軌道的雙切式橢圓軌道，又稱為“霍曼軌道”。當太陽、地球、火星處于同一條直線上時，稱為相沖，兩次相沖間隔的時間叫做會合周期?；鹦桥c地球的會合周期為780天，即將近26個月。也就是說，每隔26個月才有一次沿“霍曼軌道”發射火星探測器的窗口期。

中國第一個火星探測器和火星車外觀設計構型圖

根據國際深空探測的發展歷程，各國一般在開展首次月球探測后的2～3年內即開展首次火星探測。比中國晚開展月球探測的印度在2013年發射了火星探測器，次年，印度“曼加努安”火星發射探測器成功進入火星軌道，成為繼美國、俄羅斯和歐空局后，第4個成功探測火星的國家和地區。

自中國首次探月成功至今已經過去8年多。戚發軔告訴《中國新聞周刊》，探索火星需具備的技術條件最主要的就是運載火箭與測控能力。中國新一代大型運載火箭“長征五號”的近地軌道運載能力達到25噸，目前已研制完畢，今年9月即將上演“首飛秀”。

而與發射“螢火一號”時相比，中國深空測控能力也已大大增強。2012年，中國完成了喀什35米、佳木斯66米兩個大型深空測控站，以及上海65米甚長線射電干涉測量站的建設。隨著這三大站投入使用，中國深空測控網已正式建成，這將有助于實現對火星探測器的自主測控。

萬事俱備只欠一聲令下。2016年4月22日，在中國首個航天日舉行的發布會上，國防科工局局長、國家航天局局長許達哲終于宣布，中國火星探測任務正式立項。按照計劃，中國火星探測器使用“環繞、落地、巡視”一體的設計，將在2020年7月發射，并于2021年抵達火星。

談到中國火星探測在立項環節的波折，鄭永春表示，在深空探測領域，美國的國家航天航空局（NASA）對太陽系的各個天體探測都有長期規劃，并有相應的經費比例。然而，目前中國的深空探測仍然通過院士專家向上打報告、提建議的形式，一事一議，逐一論證，這樣做往往各部門意見難以協調一致，決策難以出爐。而中國需要一個權威機構，對太空探索和航天事業各個領域進行長遠、統一的規劃，在立項時就對整個太陽系各種主要天體類型（小行星、彗星、火星、金星、木星等）有整體考慮。

探火最難在著陸

自1960年蘇聯發射人類首顆火星探測器開始，截至今日，人類共實施了43次火星探測活動，其中取得完全成功和部分成功的共22次，成功率只有約一半。

在技術上，美國已全面掌握火星掠飛、環繞、著陸和巡視勘察技術，取得了火星探測史上多個“第一”，在世界上處于絕對領先地位。在亞洲，日本只實現了火星掠飛，未進入繞火星軌道。印度掌握了環繞探測技術，是亞洲第一個成功實現火星環繞探測的國家。

在此形勢下，中國在世界上首次提出，火星探測要一次完成“繞、落、巡”三項任務。歐陽自遠2015年發表在《太空探索》上的一段話是中國做出這一決策的最好注腳：我國火星探測任務必須堅持在較高的起點開展，才能盡量縮小與國外先進水平的差距，同時，要具有創新性。早期的火星探測大多從環繞探測起步，逐漸發展到環繞和著陸探測相結合，近年來已經發展到以巡視探測為主的階段。隨著我國航天技術的進步和對火星表面了解程度的加深，直接跳過單純環繞探測階段，將環繞探測與巡視探測相結合，是我國高起點開展火星探測的理性選擇。

與探月相比，探測火星有很多新的難點，比如距離問題?；鹦蔷嚯x地球最近約為5500萬千米，最遠則超過4億多千米。月球與地球的距離最近為36.2萬千米，最遠40.6萬千米。月球探測器發射后幾天就可到達，而到達火星則需要6～10個月。由于距離遙遠，向火星發信號至少需要15分鐘才能到，信號返回還需要同樣的時間，距離帶來通信和測控問題。因此，探火比探月麻煩。

火星探測器分成環繞器、著陸器與巡視器三大部分，其中巡視器（即火星車）包含在著陸器里面。當火星環繞器攜帶著陸巡視器運行到預定區域上空時，將與著陸巡視器分離。當著陸巡視器降落在火星表面后，火星車才會啟動并駛離著陸平臺，開始火星表面的巡視探測任務。

中國航天科工集團二院二部研究員、國際宇航聯空間運輸委員會委員楊宇光在接受《中國新聞周刊》采訪時表示，就環繞而言，中國在成功發射嫦娥二號之后，就已經具備了環繞火星的技術能力，環繞的成功率是比較大的。而在著陸環節，歐空局之前的火星著陸嘗試失敗了，國際上實施火星著陸唯一比較成功的就是美國。雖然中國此前成功進行了月球著陸，但月球與火星上的條件相差很遠，火星著陸對中國來說可以說是一次全新嘗試，因此，此次火星探測風險較大的就是著陸環節。

楊宇光舉例說，月球上是完全真空，著陸器的設計條件比較簡單，只要能量足夠，軟著陸就可以。而火星上有大氣，其密度是地球的百分之一，當著陸器以一個很高的相對速度降落火星時，會與大氣摩擦，產生很多熱量。在一般地球軌道衛星或者真空中運行的航天器上，大多使用看起來金燦燦的熱控材料。為克服火星大氣產生的熱量，這次著陸器使用的熱控材料就是新型的保溫材料納米氣凝膠。這種材料很輕，有非常好的隔熱性能。

另一方面，火星大氣的密度又不足夠高，無法使著陸器減到足夠低的速度，因此光靠降落傘是沒法著陸的，必須依靠氣動外形減速、降落傘減速與反推發動機減速三者結合起來才能完成。因此，火星大氣對于著陸來說是“高不成，低不就”，兩頭都帶來了新的困難。

“航天工程的設計不怕難，不怕復雜，就怕未知的、不確定的風險。我們應該有這樣的心理預期，不見得能夠一次性完成。但一次航天試驗不可能都是成熟的東西，總要有新的嘗試?！睏钣罟獗硎?。

至于火星車，最大的難度是自主性要求高，因為地火距離遠大于地月距離，無法完全靠地面干預。不過，火星車在技術上與探月的玉兔號類似，有后者做基礎，且火星的條件要比月球好，因此巡視的難度要比著陸容易一些。由于火星有稀薄的大氣層，火星表面的日溫差沒有月球那么大。月球上晝夜溫差起伏很大：赤道周圍白天溫度可高至100℃，夜晚又可低至-180℃。而火星的平均溫度與地球相差不大，在赤道區的晝夜溫度在20℃至-80℃之間，而最寒冷的極區的溫度變化范圍是-70℃至-140℃。月球晝夜將近28天，火星一晝夜比地球一晝夜稍長，為24小時37分22.6秒，接近地球的一天。

在地形方面，火星地表高差雖然比較大，但表面的撞擊坑沒有月球上的多，平坦的地方多，著陸環境比月球優越。嫦娥三號降落的地方4千米×4千米的范圍內有1萬多個幾米到幾百米的撞擊坑，很難落腳?；鹦呛驮虑虮砻骐m然都沒有液態水，但火星上有河道和干涸的湖泊，火星北半球曾經是遼闊的海洋，整體環境比月球好。

探火的終極目標

據官方公布的信息，火星車重約200公斤，比探月的玉兔號重100公斤，設計壽命是三個火星月，相當于地球上的92天。在此期間，火星車面臨能源、保溫及對地通信三大生存問題。中科院院士、火星探測器系統顧問葉培建此前對媒體介紹說，科研人員為火星車設計了四個面積較大的太陽翼，如同四扇翅膀，可收集足夠的太陽能，以供夜間保暖。此外，火星上局部和全球性的沙塵暴也將為火星車在火星表面上的巡視帶來困難，包括設計自主休眠和喚醒功能等。

火星車駛離著陸平臺后，將探測火星的形貌、土壤、環境、大氣，研究火星上的水冰分布、物理場和內部結構。為此，火星車搭載了13臺（套）科學載荷，包括不同分辨率的火星遙感相機，進行火星淺層結構探測的淺層雷達等。

去年大熱的科幻電影《火星救援》形象逼真地展示了火星上的生存環境，并暗示人們：在火星上生存或許并非天方夜譚。實際上，移民火星，正是人類探索火星的原動力之一。畢竟，火星是目前科學家勘探到的環境最接近地球的星球。如果要尋找另外一個適合人類居住的第二棲息地，火星肯定是第一候選。

中國人也對火星充滿期待。歐陽自遠曾在多年前寫過一本科普著作《再造一個地球：人類移民火星之路》。他相信，人類只要下決心，經過2～3個世紀的不懈努力，就一定能實現這個夢想。

盡管火星移民看起來還很遙遠，人類當下對火星的探測，并非只是一項耗資巨大而沒有實際意義的太空探險。在整個太陽系，只有金星與火星跟地球距離最近?？茖W界有這樣一個分析，地球的未來要么像金星那樣，要么和火星類似。因此，研究火星的演化，可以幫助人類更好地研究生命的起源、地球的演變與未來發展。而人類之所以對研究火星的興趣更大，可能還有一個實際因素：金星上非常熱，有400多度的高溫，90多倍的地球大氣壓，所以人類在金星上基本不可能實現載人登陸，也不可能在那里生存。

楊宇光表示，中國探測火星還有更加實際的作用?；鹦堑臈l件和月球不一樣，探火所需要的工程技術與探月也不一樣。通過解決這些工程問題，可以帶動國家的科技發展。

美國阿波羅計劃就是很好的例子。該工程投資254億美元（相當于現在的1360億美元），是當時世界上規模最大、耗資最多的科技項目之一。參加阿波羅計劃的有2萬家企業、200多所大學、80多個科研機構，總人數超過40萬人。它的出現，導致上世紀60至70年代產生了液體燃料火箭、微波雷達、無線電制導、合成材料、計算機等一大批高科技工業群體。后來，美國又將該計劃中取得的技術進步成果向民用轉移，帶動了整個科技的發展與工業的繁榮。阿波羅計劃派生出了大約3000種應用技術成果，據測算，投入產出比為1：14，是一項成功推動科技進步并獲得巨大政治與經濟效益的計劃。

“除了月球之外，中國完全有能力探測整個太陽系?！睔W陽自遠曾這樣明確表態。鄭永春則表示，除了繼續探索月球與火星，下一步小行星或許也將進入到中國航天計劃的視野范圍內。