2020年，火星探測器再出發(fā)

尹懷勤

在4月24日首個“中國航天日”來臨之際，中國國家航天局宣布了中國的火星探測任務(wù)，即將于2020年左右發(fā)射一顆火星探測器。而原定于2018年發(fā)射的俄歐火星漫游車近日也宣布推遲至2020年發(fā)射。2020年還是美國國家航空航天局（NASA）的“火星2020”漫游車發(fā)射的日期?？梢姡?020年將是一個探測器“扎堆”前往火星的時間窗口。

出師未捷的“螢火”一號

時至今日，人類共向火星發(fā)射了43個探測器。成功的尚不到一半。已經(jīng)執(zhí)行火星探測任務(wù)的只有俄羅斯、美國的部分航天器以及歐洲空間局與印度的各一個航天器。日本發(fā)射的一個火星探測器在靠近火星時失蹤了。今年3月14日，歐洲空間局和俄羅斯航天機(jī)構(gòu)聯(lián)合研制的火星“微量氣體軌道器”發(fā)射升空，目前正在飛往火星的途中。

2011年11月9日，我國第一個火星探測器——“螢火”一號搭乘在俄羅斯的火星土壤采樣返回探測器上一起發(fā)射升空。遺憾的是，發(fā)射升空器箭分離后，俄羅斯的火星探測器未能按計劃實施變軌，致使我國探測火星的首次嘗試未能成功。

美國“火星2020”任務(wù)火星車

“螢火”一號火星探測器本體長、寬各約75厘米，高60厘米，兩側(cè)太陽能電池板展開后長近8米，重約115千克，設(shè)計壽命為兩年。由于火星附近太陽光能量密度比地球低，故而“螢火”一號兩側(cè)共有6塊太陽能電池板。探測器上攜有等離子體探測包、光學(xué)成像儀、磁強(qiáng)計、掩星探測接收機(jī)等有效載荷。按照原定計劃，“螢火”一號將最終進(jìn)入環(huán)繞火星的大橢圓軌道運行，自主完成對火星空間環(huán)境和星球表面的探測任務(wù)，并對火星進(jìn)行成像，探究一度似乎在火星表層大量存在的水是怎樣消失的，還將與俄羅斯火星探測器聯(lián)合完成對火星環(huán)境的掩星探測，并把獲得的數(shù)據(jù)資料以無線電信號的形式傳回地球。

2020年：前往火星的時間窗口

向火星發(fā)射航天器可選用多種飛行路線。為了節(jié)省能量，各國都采用初始速度最小的飛行路線，并將其稱為最佳軌道。最佳軌道只有一條，那就是外切于地球公轉(zhuǎn)軌道、內(nèi)切于火星公轉(zhuǎn)軌道的雙切式橢圓軌道，又稱為霍曼軌道?；袈壍离m可節(jié)約火箭能量，卻因速度小而使飛行時間變長，航天器從地球到達(dá)火星需要飛行259天，即近9個月的時間。

由于地球和火星都在繞日運行，兩者的相對位置不斷發(fā)生變化。當(dāng)太陽、地球、火星處于同一條直線上時，稱為相沖。兩次相沖間隔的時間叫會合周期。顯而易見，在一個會合周期內(nèi)地球、火星及太陽三者之間的每一種相對位置只能出現(xiàn)一次，故對選定的霍曼軌道來說，每一個會合周期內(nèi)只有一次有利的發(fā)射時機(jī)?；鹦桥c地球的會合周期為780天，即將近26個月，因此每隔26個月才有一次沿霍曼軌道發(fā)射航天器的發(fā)射窗口。鑒于軌道形狀可以在一定范圍內(nèi)改變，發(fā)射窗口的時間區(qū)段能持續(xù)幾十天之久，所以仍給發(fā)射航天器留下了少許自由度。2020年又遇發(fā)射窗口期，故而中、美、俄、歐等國計劃發(fā)射新研制的火星探測器。

高起點的探測火星方案

“螢火”一號火星探測器原是我國火星探測“繞、落、回”三步走計劃中第一步“繞”的組成部分。而我國新的火星探測計劃，則將“繞、落”任務(wù)合并為一次完成。也就是說，我國2020年火星探測任務(wù)將一次性實現(xiàn)“繞”“落”“巡”。至于從火星采樣“回”到地球的目標(biāo)，將視前期任務(wù)完成情況而定。直至目前，世界上還沒有一個國家從火星取回過樣品。

早期的火星探測大多從環(huán)繞探測起步，逐漸發(fā)展到環(huán)繞和著陸探測相結(jié)合，近年來已經(jīng)發(fā)展到以巡視探測為主的階段。隨著我國航天技術(shù)的進(jìn)步，直接跳過單純環(huán)繞探測階段，將環(huán)繞探測與巡視探測相結(jié)合。與俄羅斯只發(fā)射著陸器和美國僅發(fā)射巡視器不同，我國要一步到位，實現(xiàn)一次性發(fā)射探測和著陸巡視的火星探測器，這將是一個很大的跨越。這意味著，我國火星探測器將包括軌道器、著陸器，待著陸器降落在火星表面后，它還要釋放能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行巡視探測的火星車。著陸器又稱科學(xué)觀測站，軌道器在探測火星的同時，還為另兩者的火星表面探測任務(wù)提供中繼通信服務(wù)。

中國火星探測器模型

我國火星探測器模型整體為金黃色，包括軌道器、著陸器、火星車和用于地球與火星之間的遠(yuǎn)距離通信的白色高增益天線。其著陸器、火星車的大小和結(jié)構(gòu)，與先前登月的嫦娥探測器和玉兔號月球車有相似之處，火星車長約2米，它和玉兔號月球車一樣有6個車輪，但個頭比玉兔號更大，因此它應(yīng)比玉兔號具有更強(qiáng)的越障能力。

與此同時，我國規(guī)劃的南美洲深空站將于2016年末建成。該站投入使用后，將實現(xiàn)我國深空測控網(wǎng)的全球布站，具備S、X和Ka共3個頻段功能的測控和數(shù)據(jù)接收能力，對深空探測器的測控覆蓋可達(dá)到90%以上，可為我國用航天器探測火星等深空探測提供測控支持。也就是說，屆時我國將完全具備支持自主火星探測任務(wù)測控通信等基本功能，能使探測器臨近火星時應(yīng)時制動減速，從而被火星引力捕獲，使軌道器、著陸器、火星車分別進(jìn)入預(yù)定位置，開展探測工作，還能將數(shù)據(jù)資料發(fā)回地球且被成功接收。

火星探測的目標(biāo)和過程

我國火星探測的科學(xué)目標(biāo)基本上圍繞這幾個方面：一是探測火星空間環(huán)境，包括火星大氣；二是通過光學(xué)遙感探測火星形貌，看看火星表面長什么樣；三是通過光譜等探測火星土壤元素、礦物成分及巖石類型；四是探測火星土壤結(jié)構(gòu)及水冰，火星表面甚至地下淺層是否有水。

在2020年中期的發(fā)射窗口期，我國將用近地軌道運載能力為25噸以上的長征五號乙運載火箭，從海南文昌航天發(fā)射中心發(fā)射自主研制的火星探測器。探測器在霍曼軌道上經(jīng)過約9個月的星際航行于2021年抵達(dá)火星。在此期間，需要啟動探測器自身攜帶的變軌發(fā)動機(jī)和姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)進(jìn)行多次中途軌道修正。當(dāng)探測器飛抵火星附近時，必須進(jìn)行近火制動。為此，它要適時調(diào)整姿態(tài)并啟動變軌發(fā)動機(jī)進(jìn)行減速，以便實施火星軌道捕獲。

在實現(xiàn)火星捕獲后，探測器將進(jìn)入環(huán)繞火星的大橢圓軌道運行。再經(jīng)一段時間的軌道調(diào)整，探測器最終將進(jìn)入預(yù)定的工作軌道繞飛，并對火星開展為期多年的探測工作。在探測器以大橢圓軌道運行接近火星的適當(dāng)時機(jī)，它將釋放著陸器。后者在下降到距離火星一定高度時立即打開降落傘，依靠火星的大氣進(jìn)行減速，隨即軟著陸于預(yù)選的火星表面地點附近。待著陸器穩(wěn)定各項指標(biāo)狀態(tài)正常后，它再展開支架讓火星車滑到星面，按預(yù)定程序經(jīng)過調(diào)整后火星車即可開始巡視探測工作。

由于我國火星車將使用太陽能供電，從光照角度考慮，最理想的登陸地點是火星赤道附近，但火星赤道附近地形復(fù)雜，加之登陸火星99%以上的減速是靠大氣，因此著陸點海拔越低減速時間越長，登陸越安全。綜合考慮地形復(fù)雜度、高程、光照、溫度等各種條件和因素，火星比較適合著陸點選在北緯5～30度的區(qū)域。當(dāng)然。實際降落時會有一定的可容許的偏差。

我國古代將火星稱為“熒惑”，它曾深深地影響著古人的宇宙觀。探測火星既可以引領(lǐng)航天技術(shù)的進(jìn)步，又可能獲得新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，從而豐富人類對火星乃至宇宙深空的認(rèn)識。

鏈接2：

美國“火星2020”計劃

美國“火星2020”計劃是迄今最先進(jìn)的火星探測科學(xué)研究計劃，該計劃如果順利實現(xiàn)，將為2030年將人類送上火星鋪平道路。預(yù)計2020年7～9月?lián)駲C(jī)發(fā)射的“火星2020”計劃的新一代火星車將搭載7臺科學(xué)載荷，對火星進(jìn)行原位探測，開展地質(zhì)評估，分析火星遠(yuǎn)古生命的跡象及其潛在的宜居性。與此同時，它還將收集巖石樣品，并將樣品用密封罐儲存起來，放置于火星表面，待未來發(fā)射的第二個火星探測器將樣品提取并送入軌道，另一個火星探測器則“抓取”軌道上的樣品并將其帶回地球。

【責(zé)任編輯】龐 云