人類(lèi)“探火”為何成功率不足一半，最大難點(diǎn)是著陸，不亞于“在巴黎將高爾夫球打進(jìn)位于東京的一個(gè)洞里”

運(yùn)載“天問(wèn)一號(hào)”的長(zhǎng)征五號(hào)火箭（胖五）

“天問(wèn)一號(hào)”  圖：央視新聞

當(dāng)前，備受矚目的多國(guó)探測(cè)火星行動(dòng)已經(jīng)陸續(xù)拉開(kāi)帷幕。我國(guó)火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”目前已經(jīng)運(yùn)抵文昌航天發(fā)射場(chǎng)，按預(yù)定計(jì)劃，將于7月下旬或8月初擇機(jī)發(fā)射。

距離人類(lèi)首次登月已經(jīng)過(guò)去了50多年，而火星依舊人跡未至。那么火星探測(cè)與月球探測(cè)究竟有哪些區(qū)別呢？

歷史上火星探測(cè)成功率僅43%

火星是太陽(yáng)系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類(lèi)似的行星之一，一直以來(lái)都是人類(lèi)深空探測(cè)的熱點(diǎn)。從60年前，人類(lèi)就開(kāi)啟了對(duì)火星的探險(xiǎn)之旅。

1960年10月，蘇聯(lián)向火星先后發(fā)射了兩枚探測(cè)器“火星1A”號(hào)和“火星1B”號(hào)，但可惜的是，“火星1A”號(hào)發(fā)射之后第3級(jí)火箭點(diǎn)火失敗，僅飛至地面120千米高就報(bào)廢了，“火星1B”號(hào)的火箭引擎直接爆炸，空中落下的碎片甚至污染了整個(gè)拜科努爾發(fā)射場(chǎng)。

美國(guó)對(duì)火星的探索也是開(kāi)端不利，1964年，剛剛成立不久的美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)發(fā)射了“水手3號(hào)”火星探測(cè)器，當(dāng)穿過(guò)地球大氣層時(shí)，探測(cè)器的一個(gè)保護(hù)盾未能推出，結(jié)果所有的探測(cè)儀器都沒(méi)能打開(kāi)，美國(guó)的第一次嘗試也宣告失敗。

1964年10月，美國(guó)“火星4號(hào)”火星探測(cè)器向地球傳回了人類(lèi)史上第一張有關(guān)火星表面的最近距離的圖像，同時(shí)回傳的還有500多萬(wàn)個(gè)比特的科學(xué)信息，可以說(shuō)這一次任務(wù)開(kāi)啟了人類(lèi)空間探索的新時(shí)代。

然而接下來(lái)的幾年，蘇聯(lián)向火星附近發(fā)射探測(cè)器又經(jīng)歷了幾次失敗，研制的“火星2號(hào)”探測(cè)器具備了登陸軌道的能力，但是在著陸過(guò)程中正遇上火星表面發(fā)生大規(guī)模塵暴，“火星2號(hào)”一頭撞進(jìn)火星上的盆地，本次行動(dòng)以著陸器墜毀而告終?！盎鹦?號(hào)”探測(cè)器登陸火星20秒后，就跟地球失去了聯(lián)系。這與1992年NASA的經(jīng)歷相似，“火星觀察者”號(hào)進(jìn)入火星軌道后，也很快就失去了聯(lián)系。

進(jìn)入21世紀(jì)，用軌道器探測(cè)火星迎來(lái)了黃金時(shí)代。美國(guó)、歐洲航天局相繼成功發(fā)射了火星探測(cè)器。印度也加入到火星探索競(jìng)賽中，發(fā)射了首顆“火星軌道任務(wù)”探測(cè)器。

然而，人類(lèi)探測(cè)火星的征程并未就此一帆風(fēng)順。

2011年，俄羅斯的“火衛(wèi)一—土壤”星際探測(cè)器由于發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，未能將其送入飛往火星的軌道，所搭載的中國(guó)火星探測(cè)器“螢火一號(hào)”也一同宣告“探火”失敗。

有數(shù)據(jù)顯示，自1960年以來(lái)，美國(guó)、蘇聯(lián)/俄羅斯、日本、歐洲和印度先后進(jìn)行了44次火星探測(cè)項(xiàng)目，但成功和部分成功的任務(wù)僅有23次，完全成功率是43%，其余的項(xiàng)目都出現(xiàn)探測(cè)器撞毀、失靈或失蹤了。

什么是部分成功？全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專(zhuān)家龐之浩在接受記者采訪時(shí)解釋說(shuō)：“如蘇聯(lián)‘火星3號(hào)’探測(cè)器，在降落火星后只發(fā)回20秒信號(hào)就失聯(lián)了，有專(zhuān)家說(shuō)成功，也有人說(shuō)不成功?！?/p>

也許有人會(huì)問(wèn)，月球探測(cè)成功率是不是更高一些？對(duì)此，龐之浩表示，月球探測(cè)成功率也不算太高，完全成功率約53%，尤其是早期，失敗率也比較高?？傮w來(lái)講，比火星成功率稍微高一些，由于統(tǒng)計(jì)方式不同，如對(duì)成功和部分成功的理解差異，所以出現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是60%左右，也有統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示為50%。

新聞鏈接

人類(lèi)探月歷程

相對(duì)于火星探測(cè)而言，人類(lèi)對(duì)月球探測(cè)已經(jīng)做了大量嘗試，且成績(jī)斐然。

1959年1月2日，蘇聯(lián)成功發(fā)射“月球一號(hào)”，拉開(kāi)了人類(lèi)探月的序幕；

1969年，美國(guó)宇航員阿姆斯特朗登月，他的一小步邁出了人類(lèi)巨大的飛躍；

1994年，美國(guó)發(fā)射的“克萊門(mén)汀”探測(cè)器，獲得了當(dāng)時(shí)最詳細(xì)的月球表面圖像，并發(fā)現(xiàn)月球南極可能存在大量水冰；

2011年和2013年，美國(guó)先后發(fā)射探測(cè)器，精確測(cè)量了月球重力場(chǎng)，并分析了月球稀薄的大氣組成等；

2019年1月3日，我國(guó)“嫦娥四號(hào)”第一次實(shí)現(xiàn)人類(lèi)探測(cè)器月球背面著陸和巡視探測(cè)。

探“火”歷程

1962年11月，蘇聯(lián)發(fā)射“火星1號(hào)”探測(cè)器，在飛離地球1億公里時(shí)與地面失去聯(lián)系，從此下落不明，它被看作是人類(lèi)火星探測(cè)的開(kāi)端。

1972年，美國(guó)“水手9號(hào)”飛船沿火星外層空間軌道飛行，成為火星的第一顆人造衛(wèi)星，環(huán)繞火星軌道進(jìn)行長(zhǎng)期考察。

1974年，蘇聯(lián)“火星6號(hào)”和“火星7號(hào)”探測(cè)器在火星著陸，探測(cè)結(jié)果沒(méi)有公布。

1998年7月，日本發(fā)射“希望”號(hào)火星探測(cè)器，但以失敗告終。

2003年6月，歐洲宇航局的第一個(gè)火星登陸器“獵兔犬2號(hào)”及其搭乘的“火星快車(chē)”探測(cè)器由俄羅斯火箭發(fā)射升空，“獵兔犬2號(hào)”登陸火星后與地面失去聯(lián)系。

2003年6月，攜帶“勇氣”號(hào)火星車(chē)的美國(guó)“火星探測(cè)流浪者”號(hào)探測(cè)器升空。次年1月“勇氣”號(hào)火星車(chē)在火星表面成功著陸。

2011年11月26日23時(shí)2分，美國(guó)“好奇號(hào)”火星探測(cè)器發(fā)射成功，順利進(jìn)入飛往火星的軌道。

2014年9月22日10時(shí)25分，美國(guó)“火星大氣與揮發(fā)演化”(MAVEN)探測(cè)器經(jīng)過(guò)10個(gè)月的漫長(zhǎng)航行，成功進(jìn)入繞火星運(yùn)行的軌道。

中國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃

2014年11月9日，在第十屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)上展示的火星探測(cè)系統(tǒng)火星巡視器原尺寸模型，即俗稱(chēng)的“火星車(chē)”。

2015年11月，中國(guó)計(jì)劃2020年發(fā)射火星探測(cè)器，探尋生命跡象。

2016年1月11日，中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)獲批準(zhǔn)立項(xiàng)。

2019年10月11日，中國(guó)火星探測(cè)器首次公開(kāi)亮相，暫命名為“火星一號(hào)”，并計(jì)劃于2020年發(fā)射。

2020年3月10日，北京航天飛行控制中心圓滿(mǎn)完成中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)無(wú)線聯(lián)試，充分驗(yàn)證了探測(cè)器與地面系統(tǒng)的接口匹配性和一致性，對(duì)各類(lèi)方案、技術(shù)狀態(tài)、軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了全面測(cè)試。

2020年4月24日，中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)系列”，首次火星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)一號(hào)”，后續(xù)行星任務(wù)依次編號(hào)。

跟月球相比火星探測(cè)難在哪兒

在業(yè)界，火星被稱(chēng)為“探測(cè)器墳場(chǎng)”，其探測(cè)難度可想而知。

據(jù)龐之浩介紹，火星距離地球最遠(yuǎn)約4億公里，最近也要約5600萬(wàn)公里，探測(cè)器抵達(dá)火星需要飛行這么長(zhǎng)的距離，對(duì)發(fā)射、軌道、控制、通信、電源、入軌、著陸等技術(shù)都有很高要求。

在發(fā)射方面，火箭的運(yùn)載能力、入軌精度和可靠性是實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)的重要前提。月球探測(cè)器進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道的速度為10.9千米/秒。而火星探測(cè)器要進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道的速度必須達(dá)到至少第二宇宙速度（11.2千米/秒）才行。因此，發(fā)射同等質(zhì)量的月球探測(cè)器和火星探測(cè)器時(shí)，后者必須用推力更大的火箭，使探測(cè)器直接進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，否則就需要消耗探測(cè)器自身燃料和更長(zhǎng)的飛行時(shí)間加速，這會(huì)影響到探測(cè)器壽命。

“火星探測(cè)最大的難點(diǎn)是在火星著陸，探測(cè)器要經(jīng)歷入軌、下降與著陸過(guò)程，這一過(guò)程通常被稱(chēng)為恐怖7分鐘?！饼嬛普f(shuō)，在火星稀薄的大氣環(huán)境下需要用7分鐘將探測(cè)器速度從2萬(wàn)千米/小時(shí)降低到零，這需要包括氣動(dòng)減速、降落傘減速和反推減速等多種減速手段融合實(shí)現(xiàn)，每個(gè)環(huán)節(jié)都必須精準(zhǔn)無(wú)誤，其難度不亞于“在巴黎打一個(gè)高爾夫球要落到東京的一個(gè)洞里”。

龐之浩解釋說(shuō)，雖然火星大氣密度只有地球的1%，但相比月球著陸，火星著陸時(shí)探測(cè)器多了一個(gè)進(jìn)入大氣層和打開(kāi)降落傘的環(huán)節(jié)。由于火星大氣層可以起到一定的減速作用，所以著陸減速需要控制得特別精準(zhǔn)，何時(shí)進(jìn)入，進(jìn)入的姿態(tài)、角度等都不能有絲毫誤差。然而，現(xiàn)在人類(lèi)對(duì)火星大氣層的了解還比較有限，再加上測(cè)控信號(hào)延時(shí)很長(zhǎng)，進(jìn)入火星大氣層前調(diào)整姿態(tài)、角度和速度必須靠探測(cè)器自主執(zhí)行。在探測(cè)器切入火星軌道過(guò)程中，如果切入點(diǎn)離火星過(guò)遠(yuǎn)，則不能被火星的引力捕獲而掠過(guò)火星；如果切入點(diǎn)離火星太近，則可能墜毀于火星大氣層。此外，進(jìn)入火星大氣層后，探測(cè)器也要自主準(zhǔn)時(shí)開(kāi)傘減速、準(zhǔn)時(shí)切傘、準(zhǔn)時(shí)拋底、準(zhǔn)時(shí)懸停避障、準(zhǔn)時(shí)關(guān)機(jī)等，稍有閃失就會(huì)導(dǎo)致失敗。

由于距離遙遠(yuǎn)，火星探測(cè)器飛抵火星軌道需要260天至320天，通信也是個(gè)大問(wèn)題。龐之浩說(shuō)，從地球發(fā)送到火星的無(wú)線電信號(hào)，單程延時(shí)為20分鐘左右。同時(shí)，由于距離越遠(yuǎn)，信號(hào)就會(huì)越弱，再加上宇宙中的噪聲干擾，這對(duì)信號(hào)收發(fā)技術(shù)是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)信號(hào)衰減問(wèn)題，探測(cè)器需要裝有高增益、高可靠通信設(shè)備，地面也要有直徑很大的深空測(cè)控天線，以免探測(cè)器因通信故障而“迷失”。

如果前面一切順利，探測(cè)器終于在火星上落了腳，但想要順利開(kāi)展工作也并非易事。龐之浩表示，在月球表面工作，月球車(chē)需要度過(guò)一個(gè)長(zhǎng)月夜，一個(gè)長(zhǎng)月夜相當(dāng)于地球上的14天，溫度最低可達(dá)到零下180攝氏度。而火星上溫差沒(méi)那么大，一天也是24小時(shí)。但火星上的沙塵暴很大，是地球上12級(jí)臺(tái)風(fēng)造成影響的6倍，這些飛沙會(huì)覆蓋火星車(chē)的太陽(yáng)能電池板，致使其無(wú)法正常工作。歷史上，美國(guó)第一代和第二代火星車(chē)都是受沙塵暴影響而停止工作的。“這就需要充分提高能源的利用率，包括高效太陽(yáng)能電池技術(shù)及高效蓄電池技術(shù)，提高能源系統(tǒng)功率質(zhì)量比，如太陽(yáng)能電池板盡量要大一些，光電轉(zhuǎn)換效率要更高。”龐之浩說(shuō)。

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