火星你好,中國來了!

中國的火星車有望在2021年抵達火星。圖片來源：scmp.com

嫦娥探月工程不斷取得成功之際，越來越多的中國航天人和愛好者將目光投向火星。2013年印度火星探測器發射後，熱心的中國航天愛好者更是望穿秋水，期待中國的火星探測器。2016年4月22日，國防科工局局長許達哲在就中國首個航天日舉行的發布會上，宣布了火星探測任務正式立項的消息。按照計劃，中國火星探測器使用「繞落巡」一體的設計，將在2020年7月發射，並於2021年抵達火星。

火星探測一路曲折

中國月球探測工程已經發射了嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號和嫦娥五號T1總計4顆探測器，未來還將發射嫦娥五號取樣返回探測器、月球背面著陸的嫦娥四號和地月L2軌道的中繼星，不僅過去的成就舉世矚目，更有未來的錦繡前程。相比之下，中國火星探測工程今年才正式立項，未來更有很大的不確定性。兩個工程看起來是兩個階段的事情，很少有人留意到，中國的火星探測和月球探測幾乎是同時起步的。

探月工程正式啟動於2004年，嫦娥一號發射升空則是2007年10月24日。而早在2005年11月，中俄兩國總理定期會晤中就考慮制定聯合雙邊太空探索計劃，到2007年3月26日，兩國籤署聯合探測火星和火衛一的合作協議。根據中俄兩國的協議，俄羅斯將利用福布斯－土壤探測器空餘的空間和運力，為中方搭載一顆火星探測器，這就是螢火一號的由來。

螢火一號火星探測器是中國航天少有的國際合作項目，選擇借船出海而不是自力更生，是因為我們實在缺乏深空探測能力。舉例來說，當年中國發射的距離地球最遠的衛星是雙星計劃中的探測一號，由於火箭入軌控制問題，遠地點比原計劃高了一萬多千米！要向距離地球最近也有5500萬千米的火星發射探測器，長徵火箭的導航制導控制系統恐怕暫時無法滿足需求。

如果說火箭還可能改進滿足需求的話，測控系統不足的問題就更大了。中國的航天測控網絡當時只具備對地球軌道目標的測控能力，為了滿足嫦娥一號月球探測器的測控任務，都要在喀什和青島站各新建一座18米的統一S波段測控天線，還借用中科院的大型射電望遠鏡通過甚長基線幹涉（VLBI）技術進行測控，從硬體到經驗都不支持開展獨立的火星探測。

深空探測作為純科學性的領域，國際合作早已成為主流。前不久BBC採訪探月和探火計劃總師吳偉仁時，英國人不無惡意地評論，中國在合作日益增強的太空探測活動中被認為是一匹孤狼。這並非我們閉關鎖國，而是被美國封鎖的困境使然。中國航天始終歡迎國際合作，螢火一號項目的實施就是一個範例。國際合作的螢火一號項目，有助於中國彌補能力和經驗的短板，多快好省地開展火星探測。合作對中國航天是有利和必要的，只可惜後來的發展可謂計劃趕不上變化。

即便有俄國人交流幫忙，火星探測對中國航天來說仍然充滿未知，無論是深冷溫度環境的控制還是超低剩磁的控制，或是超遠距離的測控和通信，都是不小的挑戰。但上海航天八院研製螢火一號探測器陸續解決了這些技術難題，用23個月就完成了一般5年才能完成的研製任務。

遺憾的是我們的運氣實在太差。由於俄羅斯方面研製進度滯後，福布斯－土壤探測器無法如期在2009年10月發射，發射日期只能推遲到大約26個月之後的下一次發射窗口。更糟糕的是，2011年11月9日福布斯－土壤探測器發射後，主發動機沒能進行啟動點火最後墜落太平洋，讓螢火一號探測器也跟著出師未捷身先死。

福布斯－土壤探測器裡的熒火一號探測器。圖片來源：RUSSIAN ROSCOSMOC SPACE AGENCY

螢火一號的失敗，雖然不是中國航天的原因，但仍給了中國火星探測當頭一棒。在嫦娥一號探測器的成功和中國航天技術全方位進步的鼓舞下，2009年嫦娥一號總師葉培建等人曾雄心勃勃地表示，中國應該獨立進行火星探測，他還表示獨立火星探測的投資將少於嫦娥一號！如果螢火一號項目成功的話，後續獨立火星探測項目的成功立項是很有把握的。

螢火一號之後獨立的火星探測方案不斷出爐，其中既有上海航天八院的螢火一號改進型方案，也有北京航天五院的嫦娥探測器改進方案。上海八院的方案中，火星探測器以螢火一號為主體，增加了推進巡航段，使探測器具備了獨立飛向火星和進行制動進入火星軌道的能力，還增加了兩個30－50千克的火星穿透撞擊器用於研究火星地質構造。北京五院的方案更為大膽，他們以嫦娥一號平臺為基礎，更換用於火星探測的載荷，並增加了一個約50千克小型試驗著陸器，將使用氣動剎車輔助減速進行火星軌道，驗證火星環繞探測和火星大氣進入、下降和著陸的技術，總體水平上類似歐洲的火星快車。北京航天五院的論文中甚至初步選定了火星著陸的區域，並歡迎其他國家在中國火星探測器上開展合作。

北京和上海的方案並沒有停留在紙面上，且不說上海成熟的螢火一號，北京五院也進行了大量的研究，突破了火星測控通信的輕型應答機和輕質量天線，以及深空導航制導技術，還進行了火星著陸技術的研究，實際開展了軟著陸氣囊原理樣機的空投演示試驗。根據航天部門的想法，早則2013年遲至2018年，發射火星探測器是都毫無問題的。火星探測不僅僅是個探測器，中國航天的運載火箭和測控網絡都有了巨大的提高，探月工程中長徵三號火箭不斷改進提高制導精度，而喀什站35米、佳木斯站64米專用深空測控天線的建成，也讓中國的深空測控能力有了飛躍性的進步。

遺憾的是，福布斯－土壤探測器兩年的拖延和2011年的失敗，無情地粉碎了這一切，讓中國火星探測計劃被打入冷宮。中國科學家並沒有放棄獨立開展火星探測的希望，2011年後仍然不斷提出火星探測的倡議，但始終沒有得到國家批准立項，只能眼睜睜地看著印度的曼加裡安號火星探測器2013年發射成功並於2014年成功入軌。

或許是由於印度的成功，2013年中國航天火星探測的構想也有了較大的變化，從軌道器為主外加撞擊器或是試驗性著陸器，演進升級為軌道器、著陸器和巡視器三位一體的概念，預定發射時間為2018年。北京五院和上海八院先後提出各自的方案，其中五院的方案較為高大上，配備了較大的火星車，需要長徵五號火箭發射，而八院的方案著陸器和火星車都較小，甚至可以使用現有的長徵三號乙火箭發射。

儘管從技術上來說，火星探測對中國人已經不再遙遠，但國家始終沒有正式立項，火星探測26個月一個窗口的限制，意味著錯過一次就要再等兩年多，於是計劃中2018年發射的火星探測繞落巡探測器，也只能推遲到2020年了。

風險和機遇並存

2016年1月11日，中國自主火星探測項目終於正式立項。根據目前公布的消息，中國的首個火星探測器將是一個空前複雜的環繞、著陸和巡視結合的項目，其複雜度不僅超過了美國在航天競賽時代發射的水手號和海盜號探測器，也比歐空局的火星快車複雜得多，更不要說印度試驗性的環繞探測器曼加裡安了。

根據目前的報導，中國的火星探測器將在2020年7月使用長徵五號大型運載火箭發射，軌道器攜帶著陸器經過地火軌道轉移到達近火點附近進行減速制動，進入環繞火星的大橢圓軌道，隨後軌道器根據火星大氣的具體情況釋放著陸器進行火星軟著陸，著陸成功後火星車將在火星表面進行巡視探測，並通過軌道器的通信中繼與地面控制站保持聯繫。

中國的2020年首次火星探測任務，將由軌道探測器、著陸器和巡視器構成。圖片來源：Imaginechina/Splash News

火星探測難關重重

火星距離地球最近也有5500萬千米，最遠可達約4億千米，這給火星探測活動帶來了巨大的挑戰。

無線電波經過漫長的距離，信號已經很弱了，需要更大更靈敏的天線進行接收。美國擁有3個深空站組成的深空測控網（DSN），天線直徑最大可達70米；蘇聯的深空站無法像美國那樣全球優化布置，但利用其國土東西寬的特點仍然建立了多個擁有大型天線的深空站；歐空局為了支持火星探測等深空探測活動，也全球優選地址建立了3個深空站，不過隨著技術進步，它們使用的是較小的35米直徑天線，性能也足以支持木星軌道甚至更遠的測控。

中國為了支持未來的月球、小行星、火星和更遙遠的深空探測任務，也建立了獨立的深空測控網，目前由喀什站的35米S/X波段天線、佳木斯站的64米S/X/Ka波段天線和阿根廷內烏肯深空站的35米S/X波段天線組成，設計上支持10億千米內的深空通信，完全足以滿足火星探測任務的需求。

火星任務的測控難度也很高，由於距離太遠，對火星探測器的測軌精度必然相應降低，因此需要新的技術方法更精確地測定探測器的軌道，才能保證探測器近火制動的準確性。簡單舉例，如果對38萬千米外的月球軌道測軌精度是500米，那麼對5500萬千米外的火星誤差就會達到約75千米，而近火點制動高度選在100千米的話，極端時會發生距離火星表面15千米高度制動的情況，導致探測器過熱燒毀。同樣，火星軌道器的環繞高度和火星車位置的測定，也都是擺在未來火星探測任務面前的攔路虎。

火星遙遠的距離，不僅提高了火星探測任務測控的難度，通信時延的問題也相當突出。地球火星距離最遠4億千米，單程信號延遲23分鐘。如果說月球探測中地面還能較為靈活地控制探測器的話，那麼對於火星探測而言，就必須要求探測器具備自主管理和自主導航的能力。中國的火星探測器還要進行著陸和巡視探測，更提高了探測器自主執行任務的難度。火星大氣進入、下降和著陸的過程中，地面不可能對著陸器遇到的意外做出反應，而火星車工作時，更是有可能面對長達46分鐘的通訊時延。幸運的是，嫦娥三號和玉兔號月球車在自主著陸和巡視上，已經作出了一定的探索，減輕了火星探測器的研製壓力。

著陸帶來新困難

火星探測的風險很高，而中國的首次火星探測器使用複雜的繞落巡設計，更是提高了任務失敗的可能。火星繞落巡的方案屬於中國首創，以前還沒有一個國家在一次火星探測任務中，同時實現環繞和著陸巡視探測。雖然環繞、著陸和巡視合一的設計有利於使用有限的經費獲得更多的成果，但也帶來了更大的難度和複雜度。這次火星探測項目要在工程上獲得圓滿成功，需要中國航天的工程師和中科院的科學家付出更多的努力。

傳統火星探測的固有難度自不待言，中國首次火星探測任務增加了著陸和巡視探測，其中最困難的部分就是穿越火星大氣的下降和著陸過程。由於距離遙遠，這個過程地面根本無法實時控制，只能由著陸器完全自主完成。美國的好奇號火星車就將這個過程稱為「恐怖7分鐘」。火星著陸的難度很高，即使全世界開展了那麼多次火星探測，除了美國技術一騎絕塵火星降落輕車路熟外，目前最好成績就是蘇聯曾做到的火星軟著陸成功並生存15秒了。

好奇號登陸火星所經歷的恐怖7分鐘。中國的首次火星任務也將嘗試登陸火星，只是著陸方式有所區別。視頻來源：NASA/JPL

火星探測器總設計師孫澤州接受採訪時也表示，他最擔憂的就是火星極為不確定的大氣情況。中國尚未開展火星探測，雖然有國外公開的論文和數據，但對火星大氣密度和組成、火星大氣變化規律和火星風暴特徵等因素仍然缺乏深入了解，實現成功降落的難度可想而知。中國的嫦娥三號成功實現了月球軟著陸，但月球和火星軟著陸有著巨大的區別，也與載人飛船或是返回式衛星的地球軟著陸大相逕庭。

根據現有的採訪報導，中國的火星探測器著陸登陸火星需要經過四個階段：熱盾氣動外形減速、超音速降落傘減速、反推發動機工作減速和著陸腿緩衝吸能。這與美國近些年的火星著陸探測有明顯區別，倒是與最早的海盜號著陸器非常相似。火星著陸的前兩個階段，由於火星重力和大氣與地球不同，很難在地面模擬；後兩個階段與嫦娥三號的月面軟著陸相似，但也僅僅是相似。著陸器的整個著陸過程無法在地球環境下進行完整的模擬，只能針對各個階段進行單項模擬，加上我們對火星大氣認識有限，著陸成功的難度和壓力都很大。

簡單地說，火星是一顆質量較大擁有稀薄大氣層的行星，這是火星軟著陸最大的麻煩所在。由於火星環繞速度大又存在大氣層，火星軟著陸無法像月球軟著陸那樣不考慮防熱，也就是必須考慮氣動外形的因素，一般都要專門設計熱盾外形，這與地球軟著陸較為相似；火星大氣又非常稀薄，減速效率遠不如地球大氣層，地球上飛船和返回式衛星都使用亞音速下打開的降落傘即可，而火星著陸器使用的都是超音速降落傘，而且為了保證安全基本都選擇低海拔地區著陸。

不僅如此，火星大氣環境也相當複雜，尤其是不時出現的風暴更是增加了著陸的難度。蘇聯的火星二號探測器的著陸器就是一頭扎進火星的沙塵暴裡，結果導致著陸失敗。中國的首顆火星探測器進入火星軌道後再施放著陸器，也算是總體方案激進的大背景下，細節上借鑑海盜號和火星二號的經驗教訓偏向保守的設計。

有優勢，也有機遇

中國首次火星探測就選擇了難度極高的繞落巡一體方案，這種選擇並非無的放矢。開展深空探測，既有航天競賽時代提高國家威望的理由，也有提升航天工業技術水平的需求，還有探索未知獲取新發現的意義。無論從哪個角度說，中國的繞落巡火星探測方案都有其必要性。

從政治上說，我們一直津津樂道於中國是第三個獨立掌握載人航天能力的國家，那麼同樣備受關注的空間科學和深空探測，自然不能長期缺席。亞洲的中日印三國都有較強的綜合航天實力，但技術水平更高的日本和中國航天，開展火星探測卻不幸先後失敗，反而是印度以廉價的曼加裡安探測器賺盡了風頭。

印度火星探測器曼加裡安發回的火星照片。圖片來源：Indian Space Research Organisation

印度還在規劃名為曼加裡安2的下一次火星探測任務，計劃在2020年發射升空。雖然合作夥伴法國空間研究中心（CNES）今年表示，曼加裡安2沒有著陸器，但也有消息稱這次任務有試驗性的著陸器甚至火星車。如果屆時中國的火星探測器只是一顆曼加裡安那樣的火星軌道器，對比起來無形中就落了下風，而環繞、著陸加巡視器結合的複雜設計，後來居上可以展示中國航天更強大的綜合實力。

2020年是一個火星探測的熱門年份，不僅中印的探測器發射飛向火星，美國的2020年火星車、俄歐聯合的地外火星車、阿聯的希望號探測器屆時也將發射升空，中國火星探測任務將吸引更多的關注帶來更大的影響，就更不能為了提高首次任務的成功率簡化火星探測器設計了。

從工程技術上說，火星探測與月球探測有很大的區別，遙遠的距離和稀薄的大氣層，以及崎嶇的地形和惡劣的環境，都帶來了不同的挑戰。中國在月球探測上取得了巨大的成功，為了提高航天工業的技術水平，進一步開展火星探測是理所當然的。

環繞火星的軌道器並沒有太大技術難度，葉培建等科學家曾提出使用嫦娥二號環繞探測火星的構想，一個試驗性的火星軌道器除了獲得加入探測火星俱樂部的虛名，在國家聲望和科學探索上都不會太大的價值，這也是中國航天五院和八院早期的自主火星探測方案中，分別增加了試驗著陸器和撞擊穿透器的根本原因。既然要借著火星探測的東風提高中國航天深空探測能力和水平，那麼一個更為先進和複雜的環繞、著陸和巡視器，自然是更好的選擇。

話說回來，繞落巡一體的設計看似十分激進，但仔細分析跨度並不是太大：火星軌道器對今天的中國航天來說不是什麼問題；火星著陸器的預研也一直在進行，且不說2011年就已經進行過的氣囊緩衝試驗，今年3月航天報又報導了五院508所的超音速降落傘風洞試驗；至於火星巡視器，玉兔號月球車面對的月球環境溫差要比火星苛刻的多，做一個能用的火星巡視器同樣不是太大的難題。

簡而言之，對於今天的中國航天而言，火星環繞、著陸和巡視探測技術都有一定的基礎，繞落巡一體探測可以發揮技術牽引作用，有利於以更少的經費更快地提高中國深空探測的水平，先發射驗證性的火星軌道器並非必不可少。

孫澤州總師在接受採訪時不無幽默地表示：中國火星探測的科學目標還沒有最終確定，但基本集中在幾個方面。這個表態道盡了中國深空探測中工程技術優先，科學探索搭便車的尷尬。如果中國發射類似印度曼加裡安或是阿聯希望號那樣的火星環繞軌道器，首次任務缺乏經驗，載荷性能恐怕也不盡人意，加上中國無法與火星探測實力最強的美國進行任何交流合作，那就真成了印度曼加裡安探測器這樣解決有無問題的任務了。

從政治角度來說，這可能是個巨大的成功，但從科學上來說，花錢再少也純屬浪費。無論我們多麼津津樂道火星探測計劃的政治和工程價值，深空探測的根本意義在於科學探索，在於探索發現未知，不能獲得獨到科研成果的項目不如不做。

雖然美國從海盜號開始發射了為數不少的火星著陸器和火星車，但火星還是有太多的地方充滿未知和機遇。舉例來說，美國航天局規劃的2020火星車已經預選了8個著陸區，但這部火星車只能探測一個地點，其他具備同等級科研價值的7個區域只能放棄。中國首次火星探測任務的火星車重量和科學儀器水平都向機遇號火星車看齊，與好奇號和火星2020有很大差距，但仍有希望在首次火星探測中獲得新的科學發現。

從這個意義上說，中國首次火星探測技術上最大的難點在於著陸，而最有科學價值的部分在於巡視探測，這個結合環繞著陸和巡視的火星探測方案，兼顧了經費投資、工程技術和科研任務，雖然存在一定的風險，但也是目前形勢下最好的選擇。

中國火星探測的未來

中國的月球探測計劃循序漸漸的繞落回三步走給人留下了深刻印象，明年月球取樣返回的嫦娥五號即將發射，那麼火星探測又有怎樣的規劃和未來呢？中國航天和中科院早期的規劃中，火星探測同樣打算謹慎地進行繞落回三步走，但隨著技術和能力的提高，火星環繞和著陸探測已經合二為一，於是三步走也就成了兩步走，首次火星探測繞落巡任務之後，中國將進行空前難度的火星取樣返回任務。

2014年的中國深空探測計劃，可以看到在2020年的首次火星任務之後，中國還將嘗試火星採樣返回計劃。圖片來源：imgur.com

火星取樣返回任務是火星無人探測皇冠上的明珠，它不僅具有極高的技術難度，花費同樣不菲。美國從20世紀60年代以來進行火星飛掠、火星環繞、火星著陸和火星車巡視探測，但在火星取樣返回任務上仍然充滿挑戰，而目前估算的高達50億－90億美元的任務開支，讓財大氣粗的美國航天局也不得不拉上歐空局聯合進行。

中國航天打算挑戰火星取樣返回這樣的旗艦級任務，可不僅僅是勇氣可嘉，而是認真開展了各種預研準備工作。目前中國長徵九號重型運載火箭已經進入關鍵技術攻關和方案深化論證階段，重型火箭使用的500噸液氧煤油發動機準備在今年10月前完成推進器組合點火（協調性）試驗，未來的重型火箭火星轉移軌道運力可達44噸，足以支持一次大型火星取樣返回任務。

火星取樣倒不一定要使用SLS/長徵九號級別的重型火箭，美歐聯合的火星取樣返回任務也提出過3枚宇宙神5火箭或是一枚宇宙神5加一枚阿里安5的輕量級設計。去年國際宇航大會上，中國投遞的論文恰好也有類似的方案，使用一枚長徵三號乙/長徵七號加一枚長徵五號火箭執行發射任務。總之，未來火星取樣返回任務的運載工具不會是個問題。

火星取樣返回任務中樣品的轉移一向是難題，而明年的嫦娥五號任務中，中國就將驗證月球樣品的軌道轉移，在這項技術上遙遙領先於包括美國在內的任何其他國家。更有趣的是，去年中國火星取樣返回的論文中，甚至直接借用了嫦娥五號的概念，使用一個330千克的鐘形返回艙攜帶火星樣品返回。至於火星取樣返回任務的火星著陸和取樣技術，也將在2020年火星繞落巡任務和2017年嫦娥五號任務中得到驗證。

毫不誇張地說，如果2020年火星繞落巡探測任務進展順利的話，中國有望和美歐同步開展火星取樣返回任務，這將使中國的火星探測技術和能力達到國際領先水平，而包括嫦娥五號在內的一系列任務，將為火星取樣返回任務奠定堅實的基礎。不過話說回來，在沒有充分進行火星遙感和巡視探測的條件下，缺乏對火星土壤、水冰、礦物、巖石和地質構造的深入了解，火星取樣返回在科學上或許並不是一個好主意，有可能勞師動眾花費巨資，取回的樣品卻不具備足夠的科研價值。

但無論如何，2020年發射的中國火星探測任務是一個開始。火星你好，中國要來了！（編輯：Steed）