火星探測到底有多難

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「天問」被定為中國行星探測計劃的總稱，而這個龐大計劃的首個任務，就是天問一號的火星探測任務。

隨著人類於20世紀50年代邁入航天時代，人類數萬年來徵服太空的夢想終於成為現實，對於宇宙的研究也突飛猛進。尤其是近代天文學家對系外行星的研究，證明地球這種處在宜居帶內的行星並不罕見，甚至是廣泛存在的。遺憾的是，目前人類的航天能力依然有限，遠遠不能探測那些基於太空望遠鏡發現的星球。為了人類的長遠未來，邁入更遠的宇宙深處將是人類最遠大的目標。人類航天發展幾十年來，載人任務依然無法突破地月系統進入行星際，下一步突破載人探測行星技術是必然選擇。

地球有兩個鄰居：金星和火星。金星已被證實是一個常年表面溫度超過460℃、大氣壓是地球海平面氣壓90餘倍的擁有惡劣的高溫高壓環境的星球，空氣中瀰漫著各類有毒硫化物，幾乎沒有探測開發的價值。

相較而言，另一個鄰居火星溫度適宜、廣泛存在水、保有稀薄空氣、引力較小，無論從哪方面來看都非常適合成為人類載人深空探測的下一站。因此，世界載人航天大國，如美國、中國和俄羅斯都把登陸火星作為行星際載人深空探測的首選目標。一些快速崛起的商業航天公司，如太空探索技術公司（SpaceX）和藍色起源（BlueOrigin），都把載人登陸火星作為終極目標。然而，探測火星的難度極大。火星與地球的距離在0.5億~4億千米之間變化，即便是光速往返也需要6~40分鐘。地球與火星每隔780天才有一次會合機會，只有在會合前幾個月的時間窗口才適合開展火星探測，而且這意味著單程便需6~11個月的探測周期。在茫茫深空中，「失之毫釐，謬以千裡」。人類火星探測進行了60年，探測成功率還不足一半，難度可想而知。

火星探測難度很大，代表了人類航天發展現階段最高的技術難度。天問一號面對的挑戰體現在：

1.需要抓住難得的探測機會。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天才出現一次的機會，一旦錯過就需要再等待26個月，因此必須保證任務按時發射。如果延期，除時間成本之外，還有巨額的探測器保管和維護成本。2.需要強力火箭。探測器要實現環繞地球運動，需要擺脫空氣和一部分地球引力的影響；如果想要前往更高軌道甚至前往月球，需要擺脫更多的地球引力的影響；如果前往火星，不僅需要完全擺脫地球引力的影響，還需要擺脫強大的太陽引力的影響。這意味著更強大的火箭是探測火星的先決條件。3.軌道設計複雜。由於火箭依然局限於化學推進劑，能力有限，所以探測器飛往火星之旅只能選擇「霍曼轉移」——一種變換探測器軌道的方式，或其略微改進版——「快速合點航線」。但這個過程耗時普遍在6~11個月，遠遠長於地月之間的3天左右。同時，這些線路會受到太陽系內多個天體的擾動，還有太陽風、空間輻射等的複雜影響。此外，火星與地球並不處在同一平面內。深空探測任務往往「失之毫釐，謬以千裡」，軌道設計難度可想而知。

4.探測器必須功能強大。一方面，探測火星的成本極高，如果只是進行簡單工程驗證並不值得，必須搭載各種科學儀器才能換回相應價值。另一方面，由於距離問題，探測器的深空通信、自主導航制導控制和自我故障檢測修復等功能必須獨立且強大，這進一步推高了成本。5.抵達火星很難。探測器到達火星附近後，需要被火星引力俘獲。相比於地球，火星只是個小不點，質量僅有地球的10.7%，引力影響範圍很小，這要求探測器必須精準切入環繞火星軌道。同時，必須擁有強大的變軌能力，這又大幅增加了燃料需求。6.需要複雜的地面設施。火星探測任務非常遙遠，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信網絡。由此可見，火星探測的難度極大。幾十年統計下來，火星探測成功率還不足一半。早期的成功率更是慘不忍睹，蘇聯/俄羅斯進行了近20次火星探測任務，但沒有一次取得完全成功。即便是後來佔據領先地位的美國，也是在進入21世紀前後，才獲得比較高的成功率。上述所說的，僅僅是實現環繞火星的難點，要完成降落火星的任務，還需要克服一系列更複雜的問題。最大的挑戰在於火星大氣。
火星僅擁有極其稀薄的大氣，大氣密度甚至不足地球海平面大氣平均密度的1%，這真讓科學家又愛又恨。愛在於：火星雖然大氣稀薄，但又不像月球一樣近乎真空，科學家可以利用大氣摩擦力對探測器進行減速。恨在於：大氣摩擦會產生高達2000℃的高溫；但大氣的密度又不足以讓著陸器完全減速，到最後還是需要反衝火箭發動機配合以實現懸停、避障、降落。因而，一個火星著陸器既需要隔熱罩隔絕熱量，也需要配備減速器、降落傘進一步減速，同時還要反衝發動機聯合工作，幾乎集齊了人類現有的各種降落技術，整體設計難度陡增。

▲ 好奇號火星車在降落火星的過程中自主完成了超過 1000 個動作（圖源：NASA）著陸系統還需要完全自主導航。標準的火星著陸過程持續時間僅7分鐘左右，甚至不足以完成一次地球至火星的通信過程。這意味著全程超過1000個動作的降落過程必須依靠著陸器自主完成，對軟體和硬體的要求極高。克服一系列困難著陸火星之後，著陸器和火星車還要面對火星惡劣環境的考驗。由於長期風化，火星上沙塵非常細密，缺乏溫室效應又導致火星不同區域氣壓差很大，易形成強風。所以，火星上經常出現沙塵暴。2018年機遇號火星車失聯的直接原因就在於此。能量來源也是問題。火星距離太陽更遠，火星能接收的太陽能僅是地球的44%左右。因此，火星探測器要麼選擇太陽能，但要面對能量低、風險高的困難；要麼選擇極其昂貴的核電池，且由於火星夜晚過於寒冷，必須攜帶熱源保溫。

相信讀到這裡，大家已經充分理解了火星探測是一項多麼困難的任務，一旦成功又將是多麼偉大的成就。為了天問一號，中國航天人做了無數的努力。1.火箭方面：2016年，中國最強運載火箭長徵五號實現突破；2020年5月5日，以長徵五號為基礎改進研製的長徵五號乙運載火箭首飛成功。2.軌道設計方面：2012年，嫦娥二號探測器已經實現了飛越日地拉格朗日點（指飛行器受太陽、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入深空700萬千米的壯舉。3.著陸技術方面：在有大氣情況下著陸，已經有了神舟1~11號載人飛船的驗證；在無/稀薄大氣情況下著陸，已經有了嫦娥三號和嫦娥四號任務的成功經驗。4.深空通信地球方面：中國深空通信網已經初步建成，還有萬噸級遠望號航天測量船輔助。5.深空通信中繼方面：2018年中國發射了人類唯一的地月通信中繼衛星——6.火星車方面：中國已有了玉兔號和玉兔二號月球車，其中玉兔二號已經在月背工作超過1年，實現了人類月球車最長工作時間的突破。7.在科研方面：天問一號整體攜帶了13項科學儀器，要實現5大科學目標。經過這些周密的準備，2020年天問一號通過了所有的核心測試，終於在7月23日從文昌火箭發射基地乘坐長徵五號遙四運載火箭出發前往火星，預計於2021年2月抵達火星，屆時將一次實現「繞」「著」「巡」三大任務。

▲ 中國火星探測著陸器和火星車組合方案（圖源：中國國家航天局）中國近些年在深空探測領域成果斐然，例如嫦娥四號探測器完成了人類首次著陸月球背面的壯舉。天問系列則立足長遠。天問一號不僅開啟了火星探測任務，更是中國整個行星探測計劃啟程的標誌。火星，只不過是下一站。除了火星，天問系列在可以預見的將來還會去地球的近鄰——金星，還有可能挑戰極限，前往難度更大的太陽系內側的水星和外側的四大氣態行星（木星、土星、天王星、海王星）。希望天問一號火星探測任務一切順利，也希望天問系列帶著中國人的夢想飛遍寰宇。 

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