“约会”火星，我们准备好了吗

2019-10-07

科学之友 2019年9期

关键词：着陆器漫游约会

探测火星不是件容易的事，可是人类对火星的热情却从未熄灭。2019年全国两会期间，全国政协委员、中国探月工程总设计师吴伟仁透露，2020年我国将发射探测器，实现对火星的环绕、着陆和巡视探测。

中国火星探测任务工程总设计师张荣桥表示，首次火星探测任务一步实现“绕”“落”“巡”，这在国际上前所未有，难度极大。面对艰巨的挑战，我们准备好了吗？

移居火星困难重重

移居火星是人类的远大梦想，也注定了荆棘丛生。第一个挑战就是如何把人安全送往火星并安全返回。“目前，人类发射火星探测器成功率低，现阶段没有哪个国家有把握将人安全送上火星并返回。”专家说。

此外，载人登陆火星目前还面临技术难题。由于飞往火星单程至少7个月，要携带大量的生命保障资源，需要更强大的火箭和飞船。对执行任务的航天员来说，长期飞行会导致肌肉萎缩、骨质脱钙，辐射也会对身体造成影响。

到达火星后如何生存，也是一道难以迈过的坎。

“怎么适应火星的气温？你在火星上是蹦还是跳？如何转化能量实现自给自足？火星上只有微弱的剩磁，太阳粒子毫无忌惮地打到火星表面，人怎么防护？和地球之间的通讯有延迟怎么办？火星基地的内部是1个标准大气压，外部却是0.1个大气压，对基础设施的稳定性和可靠性要求极高。”专家说，我们能想到的任何一点在火星上都很困难。

模拟火星环境寻找答案

为了提前应对这些移居火星的难题，科学家想出了各种模拟火星环境的方法。直接选择地球上的某个区域模拟火星环境是其中之一。比如在南极、北极圈、冰岛，或在美国的莫哈维沙漠、南美洲的阿塔卡玛沙漠模拟火星等。

专家说，中国的柴达木盆地很适合火星模拟。“柴达木盆地纬度高、温差大、紫外线强，到处都是盐湖，大气稀薄、表面干燥，且土壤偏碱性，环境与火星十分相似。”

还有一种是在实验室中进行火星模拟，比如位于美国加州帕萨迪纳的喷气推进实验室和位于英国赫特福德郡的火星任务模拟场。这种模拟通常有较明确的科学目的。专家介绍，如果要模拟火星上的沙丘移动，就需要在地球上建一个风洞实验室。在风洞中要尽量呈现火星表面的环境，如昼夜温差、大气含量和成分、物质组成、风速等。还有人模拟火星上的物质反应，这就需要假设发生反应的物质成分，反应时的温度以及反应时间长短等。

专家表示，模拟火星环境有多方面的意义。从工程上讲，我们能在模拟火星环境中测试探测器样机的性能，如车轮、爬坡能力等，还可以测试科学载荷的性能以及宇航员在极端环境中的身体和心理变化等。“国际空间站的航天员一般只在太空待半年左右，往返火星所需的時间可比这长多了，对航天员的心理和生理都是非常大的考验，身体也会因为长时间的深空辐射受影响。”专家说。

研究火星表面的地质演化也是如此。“目前我们只能看到物质演化后的结果，由于这种演化和当时的环境是一种耦合关系，要揭示它就需要在实验中模拟。”专家表示。

首次火星探测充满挑战

每隔两年，全球都会迎来一次火星探测小高潮。为何大家都选择2020年探测火星？这是因为，根据地球与火星位置关系，每26个月火星会有一次距离地球最近的机会，这也是发射火星探测器的最佳时间窗口。在这个时间点发射火星探测器，将节省大量燃料，缩短抵达的时间。2020年就将迎来一个窗口期，大约1个月。如果把握不好这次机会，就只能再等两年。

中国首次探测便要实现“绕”“落”“巡”三大任务，面临巨大挑战。所谓“绕”，是指在一定距离的轨道上绕着火星飞行，对火星表面的情况进行普查。“落”和“巡”是指在火星上特定的区域进行着落，让着陆器带着的火星车对火星表面局部地区进行巡视和详查。在较高的技术起点上，尽管一次发射完成多项复杂任务的风险比较大，但如果成功，效益也比较高。

据悉，此前只有美国在一次火星任务中同时完成“绕”和“落”，欧洲曾两次尝试“绕”和“落”，都以失败而告终。中国计划在一次火星任务中完成“绕”“落”“巡”，难度可想而知。

迄今为止，世界各国至少举行了46次火星探测活动，其中只有20.5次取得成功，成功率不足45%，火星因此有“航天器坟场”之称，而最危险的环节在于进入火星轨道和着陆两个阶段。

与飞行相比，探测器在火星下降着陆的难度更大，过去许多探测器都在这一阶段功亏一篑。什么时候“刹车”进入火星轨道，进入轨道的角度是多少，何时打开降落伞，何时切断降落伞……每个环节都可谓步步惊心，都需要精准计算、毫秒不差。

专家说，进入火星大气时，探测器能接收到的遥测信号十分微弱；当它运行到火星背面时，在地球上无法准确获取其轨道参数；通信延时也会造成很大影响。因此火星着陆过程完全需要探测器自主完成，整个过程被称为“恐怖7分钟”。

火星探测与月球探测最大的不同就在于距离的悬殊。地月平均距离为38万千米，而地火最近距离为5 500万千米，最远为3亿～4亿千米，这对测控能力有极高的要求。曾有人这样比喻：让火星探测器精准着陆，相当于从巴黎击出一只高尔夫球，落在东京的一个洞里。

探月工程为火星探测奠定基础

虽然火星探测的难度非常大，但是中国已经做了大量准备工作，数次成功的探月任务也奠定了重要的技术基础。

首先，发射火星探测器需要大推力运载火箭，我国长征五号火箭已经具备这样的能力。它是目前我国推力最大的运载火箭，可将火星探测器直接送入地火转移轨道。

其次，针对超远距离的测控，我国已经建成深空测控站，并在嫦娥二号拓展任务中实现了超过1亿千米的测控。北京航天飞行控制中心副主任李剑曾表示，我国已具备上亿千米深空测控的能力，完全能支持火星探测。

再次，探月取得的成功，帮助中国在着陆、巡视技术等领域奠定了基础。

我国首个火星探测器将搭载13台科学载荷，将探测火星的形貌、土壤、环境、大气，研究火星上的水冰分布、物理场和内部结构。

专家介绍，火星大气密度仅为地球的百分之一，着陆器进入大气后，以20 000千米/小时的速度“撞”向火星，需要通过气动外形、降落伞、反推发动机等多种措施逐级减速，才能安全着陆。

专家透露，我国火星探测器已完成气动外形设计，以及气动力、气动热设计工作，正在进行试验验证。此外，我国于2016年首次完成了缩比火星降落伞高空开伞试验，验证了降落伞的充气性能，获取了降落伞气动力数据。

应该说，在探测火星方面，我国还是“新生代”。不过，十多年来我国开展了5次探月活动，全部取得成功，对深空探测领域的轨道设计、探测器自主导航控制、深空测控通信等关键技术进行了验证，同时积累了丰富的经验。

这次火星探测任务能否成功，我们还需拭目以待。如果成功，它将成为我国继探月之后深空探测任务的“敲门砖”。在完成火星探测的“绕”“落”“巡”之后，我国计划在2028年左右发射火星采样返回器。通过对采回的火星样品进行研究，可以了解火星上是否有水、生物、特殊物质等，最终实现对火星从全球普查到局部详查、着陆就位分析，再到样品实验室分析的科学递进，同时为载人登火星作准备。