從月球車到火星車有多難

柯譜

8月23日，我國首次公布了中國第一個(gè)火星探測(cè)器和火星車外觀設(shè)計(jì)構(gòu)型。2020年，我國首次火星探測(cè)將一次完成“環(huán)繞、著陸、巡視”三個(gè)探測(cè)任務(wù)，這在世界火星探測(cè)史上是前所未有的。此前，只有美國海盜號(hào)火星探測(cè)器一次實(shí)現(xiàn)了“環(huán)繞、著陸”兩個(gè)探測(cè)目標(biāo)。

目前，我國已通過嫦娥1號(hào)、2號(hào)完成了對(duì)月球的“環(huán)繞”探測(cè)任務(wù)，通過嫦娥3號(hào)完成了對(duì)月球的“著陸、巡視”探測(cè)任務(wù)，所以有不少航天愛好者會(huì)問，我國的火星車能否借鑒玉兔號(hào)月球車的研制技術(shù)？探測(cè)月球與探測(cè)火星有什么區(qū)別？要回答這些問題，首先需要了解的是月球和火星各自的概況。

不一樣的星球

雖然月球與火星都是地外星球，但它們有很多不同之處。

月球以1.02千米/秒的速度，在稍扁的軌道上繞地球公轉(zhuǎn)，離地球時(shí)近時(shí)遠(yuǎn)，最近時(shí)約36萬千米，最遠(yuǎn)時(shí)約40萬千米，平均距離約為38.44萬千米。而火星以橢圓軌道繞太陽飛行，它與地球的最近距離約為5500萬千米，最遠(yuǎn)距離則超過4億千米。大約每隔26個(gè)月就會(huì)發(fā)生一次火星沖日，地球與火星的距離在沖日期間會(huì)達(dá)到極近值，通常只有不足1億千米。

月球是地球唯一的一顆天然衛(wèi)星，其質(zhì)量相當(dāng)于地球質(zhì)量的1/81，所以引力較小，其表面重力只有地球的1/6。而火星比月球大許多，質(zhì)量相當(dāng)于地球質(zhì)量的11%，其表面重力約為地球的4/10。

月球上沒有大氣，所以沒有風(fēng)雨變幻，無法靠對(duì)流的方式來傳遞熱量，這使得月球的晝夜溫差高達(dá)310℃。月球白天最高溫度可達(dá)130℃；晚上溫度會(huì)下降到-180℃左右，且月球的白天和夜晚各自長達(dá)13.5天。而火星有大氣，但非常稀薄，密度大約只有地球的1%?；鹦浅嗟乐形鐣r(shí)可達(dá)20℃，兩極最低溫度-140℃。巨大沙塵暴是火星大氣中獨(dú)有的現(xiàn)象，幾乎在每個(gè)火星年里都要發(fā)生一次，最大可達(dá)地球12級(jí)臺(tái)風(fēng)的幾倍，而且一旦刮起來可持續(xù)3個(gè)多月。

由于月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期一樣，都是一個(gè)恒星月（27日7時(shí)43分11秒），所以在地球上只能看見月球的一面，背向地球的一面永遠(yuǎn)看不見。而火星自轉(zhuǎn)周期為24小時(shí)37分，即火星上的一天幾乎和地球上的一樣長?；鹦枪D(zhuǎn)一周約為687天，即火星的一年約等于地球的兩年。

在月球上，除懸崖峭壁外，幾乎所有月面都覆蓋著平均厚度為3～5米的月壤。月壤的粒度分布很廣，但絕大部分顆粒在30微米到1毫米之間，摸起來跟面粉一樣細(xì)膩。而火星和地球一樣擁有多樣的地形，有高山、平原和峽谷，基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布，還有許多遭隕星襲擊后形成的坑坑洼洼。火星最引人注目的是干涸的河床多達(dá)數(shù)千條，蜿蜒曲折、縱橫交錯(cuò)，且主要集中在赤道區(qū)域附近。

不一樣的路程

不難看出，月球和火星大相徑庭，而這些差異直接決定了月球車和火星車的差異。

由于距離遠(yuǎn)，對(duì)發(fā)射火星探測(cè)器的火箭要求也比較高。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)到第2宇宙速度才行，即11.2千米/秒。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)，后者要求用推力更大的火箭。

火星探測(cè)器飛往火星的時(shí)間和距離比月球探測(cè)器飛往月球的時(shí)間和距離長得多，前者最快一般需約7個(gè)月，后者最快只需四五天，所以對(duì)火星探測(cè)器的測(cè)控通信要比對(duì)月球探測(cè)器的測(cè)控通信復(fù)雜得多。

同樣的一個(gè)信號(hào)，從月球發(fā)射到地球接收和從火星發(fā)射到地球接收要差100萬倍。正因此，測(cè)控火星探測(cè)器對(duì)探測(cè)器本身以及地面測(cè)控站都提出了更高的要求，既要求火星探測(cè)器裝有高增益天線，也要求地面有天線直徑很大的深空測(cè)控站。

由于距離地球遠(yuǎn)，火星探測(cè)器測(cè)控信號(hào)的傳輸延時(shí)很長，單向就達(dá)15～25分鐘，而月球探測(cè)器測(cè)控信號(hào)的傳輸延時(shí)單向僅為1秒多，對(duì)火星探測(cè)器的遙測(cè)遙控比月球探測(cè)器更為復(fù)雜，要求火星探測(cè)器有更高的自主性。

由于路途漫漫，火星探測(cè)器在飛往火星的途中，要進(jìn)行比月球探測(cè)器次數(shù)更多、更精確的軌道修正才行。如果火星探測(cè)器在地火轉(zhuǎn)移軌道近地點(diǎn)有1米/秒的速度誤差或1千米的高度誤差，飛到火星附近時(shí)都將產(chǎn)生10萬千米的位置誤差。

因?yàn)榛鹦翘綔y(cè)器遠(yuǎn)離太陽，它所受到的太陽輻射強(qiáng)度大大減弱，其太陽電池翼性能必須更高。另外，火星車的太陽電池翼還要能經(jīng)受火星巨大沙塵暴的考驗(yàn)。

現(xiàn)在，我國火星探測(cè)面臨的難題是要一次完成“環(huán)繞、著陸、巡視”，而不能像“嫦娥工程”或國外大多數(shù)火星探測(cè)那樣，先發(fā)射軌道器幫助選擇合適的著陸地點(diǎn)，再發(fā)射著陸器在選好的著陸點(diǎn)著陸。這就需要事先掌握、分析其它火星探測(cè)器拍攝的大量火星圖片和研究成果，從中選擇幾個(gè)候選著陸地點(diǎn)；然后通過我國火星環(huán)繞器發(fā)回的圖像，最終確定著陸地點(diǎn)。

著陸“恐怖7分鐘”

月球沒有大氣，落月探測(cè)器不能依靠降落傘來減速進(jìn)行軟著陸，而只能靠自己的發(fā)動(dòng)機(jī)反推來降低下降速度，有人稱落月探測(cè)器著陸過程為“黑色700秒”。似乎在月表著陸比在有大氣的火星表面著陸更難。

其實(shí)，在火星上著陸同樣不容易，要經(jīng)歷“恐怖7分鐘”。在探測(cè)器切入火星軌道后，如果要在火星表面著陸，其過程類似于返回式衛(wèi)星，但技術(shù)難度大得多，因?yàn)檫b測(cè)和遙控信號(hào)十分微弱；同時(shí)，當(dāng)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)到火星背面時(shí)，地球無法準(zhǔn)確地確定其軌道參數(shù)，這就給探測(cè)器再入高度的選擇帶來困難，許多探測(cè)器都因此功虧一簣。

空間探測(cè)器在地外星球軟著陸方式目前主要有三種：一是氣囊彈跳式，二是著陸腿式，三是空中吊車式。每種方案都各有優(yōu)缺點(diǎn)。氣囊式比較簡單，成本低，但只能滿足重量小的探測(cè)器軟著陸要求；空中吊車式反之；著陸腿式介于它們兩者之間。

月球沒有空氣，蘇聯(lián)月球車1號(hào)、2號(hào)，美國“阿波羅”登月飛船和我國嫦娥3號(hào)月球探測(cè)器等，都采用緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推+著陸腿的方式?；鹦巧嫌锌諝?，在火星上著陸時(shí)都要使用降落傘來減速，例如，美國海盜號(hào)、鳳凰號(hào)火星著陸器采用降落傘+緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推+著陸腿的方式；美國“火星探路者”“火星漫游者”采用降落傘+氣囊彈跳的方式；美國“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”采用降落傘+緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推+空中吊車的方式。

據(jù)悉，我國2020年發(fā)射的火星著陸器-巡視器組合體，將采用降落傘+緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推+著陸腿的方式，具體來說就是經(jīng)過氣動(dòng)外形減速、降落傘減速、反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速，展開著陸腿，緩沖著陸到火星表面。其可能的原因是：我國的巡視器即火星車質(zhì)量較大，為200多千克；我國有嫦娥3號(hào)在月球著陸的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，其中的懸停、避障技術(shù)居世界領(lǐng)先。