姜浩峰

“以嫦娥四號任務(wù)圓滿成功為標志，中國探月工程四期和深空探測工程全面拉開序幕。嫦娥五號月面采樣返回任務(wù)將于今年年底左右實施，中國首次火星探測任務(wù)將于2020年前后實施?！?019年1月14日，國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳艷華在國新辦發(fā)布會上披露了在太空探索事業(yè)上的下一步計劃。

這并不是中國官方首次公布自己的火星探索計劃。2018年11月5日，于珠海舉行的中國國際航空航天博覽會上，中國國家航天局系統(tǒng)工程司副司長趙堅，曾介紹中國航天未來深空探測工程領(lǐng)域重點任務(wù)：“我國首次火星探測任務(wù)計劃在2020年左右實施，實現(xiàn)2021年火星探測器著陸火星。后續(xù)至2030年前后，我國還將實施小行星探測、火星取樣、木星系探測及行星穿越等三次深空探測任務(wù)?！?/p>

迄今為止，全世界已有美國、俄羅斯、日本、印度等國發(fā)射過火星探測器，然而，除了美國以外，其他國家成功的案例屈指可數(shù)。

作為后來者，中國在完成了探月工程三期以后，準備向火星進發(fā)，堪稱一步一個腳印。就連美國國家航空航天局（NASA）局長吉姆·布里登斯廷（Jim Bridenstine）都在勸說美國政府，現(xiàn)在與中國合作還來得及。1月18日，美國方面果然迫不及待披露——美中兩國航天機構(gòu)正在協(xié)調(diào)月球探索方面的努力。

探月為火星探測架起“鵲橋”

很多人知道美國、蘇聯(lián)以及蘇聯(lián)解體后的俄羅斯向火星發(fā)射過探測器，實際上，日本和印度也相繼在1998年和2014年向火星發(fā)射過探測器。

日本的希望號火星探測器，由日本宇宙科學研究所負責發(fā)射升空。在1999年10月到達火星附近時，探測器沒有進入預(yù)定軌道，幾經(jīng)轉(zhuǎn)軌，最終于2003年被日本放棄。印度的曼加里安號火星探測器，于2013年11月5日在斯里赫里戈達島航天發(fā)射場升空，于2014年進入火星軌道。然而，這是一個據(jù)稱載荷只有15公斤的小玩意兒。

而中國于2016年1月11日批準立項的火星探測任務(wù)，想要做到的則不僅僅是繞著火星軌道轉(zhuǎn)圈，而是一步實現(xiàn)繞火星的探測和著陸火星表面的巡視。由此可知，中國的火星探測器必將攜帶火星車。

時任中國國家航天局局長許達哲2016年對“一步實現(xiàn)繞火星和著陸”評價稱：“這相當有難度。因為每一個發(fā)射窗口要26個月才能遇到，我們正在嚴密地制定工程計劃，爭取在2020年這個窗口發(fā)射探測和著陸巡視的火星探測器?！?/p>

“由中國的火星探測器可以研究火星的土壤、環(huán)境、大氣，甚至世人關(guān)注的火星上的水可知——中國2020年發(fā)射的火星探測器，肯定比印度的要大很多?！庇泻教鞂＜蚁颉缎旅裰芸酚浾弑硎荆耙驗槲覀冇辛颂皆鹿こ痰某晒?jīng)驗，等于是有了基礎(chǔ)?！?/p>

專家所言的“基礎(chǔ)”，包括了探月工程的繞月、落月，還有月球車，在未來的探測火星之旅的時候，這些都是用得著的成熟技術(shù)。

“中國火星探測器的大小和結(jié)構(gòu)，與嫦娥、玉兔相似，又有不同?！痹缭?016年，全國政協(xié)委員、衛(wèi)星專家葉培建就曾對媒體如此表述。

探測火星比探月，確實有新的挑戰(zhàn)。譬如探測器落于火星表面，和落于月球表面，有一個重大區(qū)別，就是火星有大氣層而月球沒有大氣層。這就意味著火星探測器如果要落于火星表面，必須解決穿越火星大氣層的問題。在著陸火星的過程中，初始降落速度非?？欤瑸楸苊馀c火星大氣層摩擦時產(chǎn)生高溫燒毀，需要一定升力幫助它減速，使得探測器外側(cè)溫度不那么高。據(jù)中國科學院院士、中國月球探測工程領(lǐng)導小組高級顧問歐陽自遠稱，火星由于有大約地球表面百分之一密度的大氣，在探測器著陸時，比著陸月球也有優(yōu)勢，那就是可以使用降落傘和氣囊。

就公開披露的信息看，2018年全國兩會期間，全國政協(xié)委員、中國航天科技集團十一院研究員周偉江曾對外披露，中國計劃于2020年發(fā)射的火星探測器，已完成氣動外形設(shè)計，以及氣動力、氣動熱設(shè)計工作。周偉江稱，與國內(nèi)外一些探測器采取的調(diào)整探測器重心的策略不同，中國著陸火星探測器的獨家秘方是——通過開啟活動控制部件、配合噴流控制來產(chǎn)生升力。

無論探測器設(shè)計成什么樣子，地球上的控制中心對它的管控尤為關(guān)鍵。以著陸火星為例，如何控制探測器的姿態(tài)非常重要，如果它翻起跟頭，可能會被燒蝕或偏離軌道。而在著陸火星的過程中，探測器上會不斷有部件分離。譬如先要拋出前蓋，打開降落傘，這個過程不能影響飛行穩(wěn)定性。降到一定高度時，要拋掉大底，由于此時準備著陸的探測器是大底朝前降落，這個動作相當于是迎風完成的。接下來，還要把艙里的巡視器拋出去。這些情況，都有可能影響探測器著陸的穩(wěn)定性，不僅在探測器氣動設(shè)計中需要考慮周全，還需要地面管控中心做到精準管控。

地球到月球是38.4萬公里；而從地球到火星，最近距離5500萬公里，最遠距離則要超過4億公里。從地球向探測器發(fā)送管控指令，假設(shè)管控指令通過電磁波的方式到達月面需要1.28秒，那么，到達5500萬公里以外的火星，就起碼需要180秒。如果在4億公里以外與地球?qū)υ?，信息發(fā)送一個來回則要40分鐘。當在地球上發(fā)出的電磁波經(jīng)過漫長的距離后，信號會衰減，需要更大更靈敏的天線進行接收。

在專家看來，2020年中國的地面測控網(wǎng)應(yīng)能做到對火星探測器的管控。原因在于：2018年5月，中國的月球中繼衛(wèi)星“鵲橋”搭乘長征四號丙運載火箭升空，衛(wèi)星由火箭送入近地點約200公里、遠地點約40萬公里的地月轉(zhuǎn)移軌道。之后，通過“鵲橋”，人們看到了月球背面的模樣。

盡管僅僅是一顆月球中繼衛(wèi)星，但“鵲橋”卻擁有幾個世界之最——擁有深空探測器最大口徑通信天線——達4.2米直徑的“巨傘”張開后，可以為嫦娥四號著陸器、巡視器與地面測控站之間的“地月對話”提供便利。除了“巨傘”，“鵲橋”中繼星還有一面超高清“反光鏡”——激光角反射器。地球觀測站發(fā)出的激光波束，可以準確找到40多萬公里外高速飛行的“鵲橋”中繼星，通過發(fā)送、接收的時間差，計算出星地距離，這是人類歷史上最遠距離的激光測距試驗。

回顧人類探索火星的歷程，至今為止共發(fā)射過40多個火星探測器，成功率僅為50%。業(yè)內(nèi)甚至有人稱火星為“探測器墳場”。

事實證明，在某些技術(shù)領(lǐng)域，“鵲橋”已經(jīng)超出了之前探測火星國家所用的中繼衛(wèi)星。

掌握了先進的中繼衛(wèi)星技術(shù)，未來，中國發(fā)射到火星的探測器，也將由先進的中繼衛(wèi)星引導，與地球測控系統(tǒng)聯(lián)系。即便如此，由于屆時火星探測器距離地球確實較遠，信號往返于地球和火星之間的時間較長，在大多數(shù)情況下，探測器主要得靠自主控制，獨立完成帆板展開、對日定向、制動捕獲、器器分離和故障診斷等功能。

大功率火箭助力著陸火星

周偉江曾表示，在進行火星探測器設(shè)計的時候，必須處處受到嚴格的重量限制?！氨热绶罒岵牧希绻蒙倭?，著陸器會被燒壞；多用一點，重量就會超標。各系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)要精打細算，一點點摳，幾乎不容許有余量?！?/p>

回顧人類探索火星的歷程，至今為止共發(fā)射過40多個火星探測器，成功率僅為50%。業(yè)內(nèi)甚至有人稱火星為“探測器墳場”。

火星探測，起始于1960年代的蘇聯(lián)。不過，整個1960年代，蘇聯(lián)發(fā)射往火星的探測器幾乎全部失敗。美國在經(jīng)歷了最初的失敗后，于1964年11月28日向火星發(fā)射了“水手4” 號，終于于1965年7月14日到達火星表面上空9800公里處，并向地球傳回了21張照片。這是人類太空探測器有史以來第一次到達火星附近并傳回照片。之后，美國又開啟了“海盜”號、“火星探路者”、“火星環(huán)球勘測者”等計劃，這些探測器都曾成功著陸火星。但美國也有失敗的案例，較近的例子是——1999年9月23日，美國“火星氣候”軌道器在即將進入預(yù)定軌道前燒毀。

歐洲探索火星失敗的例子也不少，譬如2003年12月，歐洲“獵兔犬2”號著陸器與“火星快車”軌道器分離后，準備在火星表面著陸時失蹤了；2016年10月20日，歐洲“火星生物學-2016”中的“夏帕雷利”進入、降落和著陸演示器在著陸前與地面失去了聯(lián)系，原因由一個僅一秒的計算失誤所致。

至于俄羅斯，2011年11月8日發(fā)射的福布斯-土壤號火星探測器變軌失敗，由此也導致了中國搭載的螢火1號火星探測器的失敗。

就美國來說，迄今為止最為成功的火星探索行動，是2011年11月26日發(fā)射的好奇號火星探測器，其于2012年8月6日成功著陸火星表面。好奇號原本的設(shè)計壽命是一年——不是地球的一年，而是火星上的一年，相當于地球上的687天，或者火星上的669天。然而，就目前情況看，好奇號仍在不斷向地球發(fā)回信息。2018年6月7日，美國國家航空航天局公布的信息稱，好奇號在火星巖石和大氣中發(fā)現(xiàn)新證據(jù)，說明這顆紅色行星可能曾經(jīng)存在生命，甚至可能仍存在生命。經(jīng)過2018年9月的短暫故障，2018年11月，好奇號竟然重新恢復工作，繼續(xù)超期服役。

美國嘗到了探測器成功著陸火星并超期服役的甜頭，于2018年5月5日，通過“宇宙神”V-401型火箭像火星發(fā)射了洞察號火星探測器。洞察號于2018年11月26日成功著陸火星。

在2007年于印度海德拉巴舉行的第58屆國際宇航聯(lián)合會大會上，美國國家航空航天局曾宣布，將于2037年派宇航員前往火星。2015年12月，美國國家航空航天局還展開了招聘工作，并稱，成功申請者將有機會前往火星上班。而實際上，這些新招募的宇航員，更可能先搭乘SpaceX公司的載人版龍飛船，前往國際空間站工作，給人類火星之旅做準備而已。

作為航天領(lǐng)域的后起之秀，中國做了很多年的準備，值此嫦娥四號任務(wù)圓滿完成之際，拉開了深空探測工程的序幕，準備向火星進發(fā)，并希望一步實現(xiàn)繞火星的探測和著陸火星表面的巡視。

“2016年11月3日，中國的長征五號火箭在海南文昌發(fā)射場首飛成功。長征五號綽號‘胖五，其近地軌道運載能力達到25噸，地球同步軌道運載能力達到14噸。這說明中國的大火箭研制工作有了突破。”專家認為，長征五號火箭非常適合中國2020年發(fā)射的火星探測器。而據(jù)歐陽自遠說，2019年嫦娥五號前往月球，就將重新啟用長征五號火箭來發(fā)射。

前不久在北京舉辦的“太空探索與人類未來”主題論壇上，國家航天局系統(tǒng)工程司司長李國平披露，2020年發(fā)射火星探測器后，中國計劃在2028年左右進行火星探測的第二次任務(wù)，屆時，探測器不僅要到達、著陸火星，還將采樣火星上的土壤返回地球。2030年前后開展對木星系和行星系的探測。

《新民周刊》記者了解到，屆時，中國推力更大的火箭——近地軌道運載能力達到140噸的長征九號火箭，將不僅完成將探測器發(fā)送到火星的任務(wù)，還將載著裝有火星標本的探測器回家。按照航天科技集團一院總體部總體室主任何巍的話說：“長征九號的規(guī)模和性能與美國的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）處于同一量級。長征九號運載火箭的研制成功將滿足未來較長時期國內(nèi)深空探測、載人月球探測等國家重大科技活動的任務(wù)需求，可保障我國在未來宇宙探索和空間開發(fā)中立于優(yōu)勢地位?！笨傊?，有了更大個頭的火箭，對于探索火星來說，就會更有安全保障。

至于我們?yōu)楹我谔皆轮筇剿骰鹦?，在接受《新民周刊》記者采訪時，航天專家李必光如此解讀：“探月重點是為了尋找資源和能源，以便人類去開發(fā)；而探火最關(guān)心的是生命探尋及其演化歷史?；鹦亲钕竦厍颍懿荒芨脑斐蔀榈诙€地球，以供人類移居，是我們最感興趣的問題。”