我國首次火星探測任務(wù)

耿言，周繼時(shí)，李莎，付中梁，孟林智，劉建軍，王海鵬

（1. 探月與航天工程中心，北京 100190；2. 中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094；3. 中國科學(xué)院 國家天文臺，北京 100012；4. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

引 言

火星是太陽系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類似的行星，一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測（本文指發(fā)射探測器到達(dá)月球以遠(yuǎn)的空間開展的科學(xué)探測任務(wù)，以下同）的首選目標(biāo)。我國的深空探測規(guī)劃，以火星探測為起點(diǎn)和主線，按照“一步實(shí)現(xiàn)繞著巡，二步完成取樣回”的發(fā)展路線，突破深空探測基礎(chǔ)和共性關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展。首次火星探測任務(wù)于2016年1月得到國家批準(zhǔn)立項(xiàng)，將通過一次發(fā)射任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視，對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測，在火星表面開展區(qū)域巡視探測。任務(wù)計(jì)劃于2020年發(fā)射，2021年實(shí)現(xiàn)我國的機(jī)器人登陸火星。

1 國際火星探測概要情況

1.1 探測歷程

國際火星探測起步于20世紀(jì)60年代，截至目前共實(shí)施了44次活動(dòng)，美國21次，蘇聯(lián)/俄羅斯19次，日本1次，歐洲空間局（European Space Agency, ESA，以下簡稱歐空局）2次，印度1次。完全成功或部分成功23次，成功率約53%。

從時(shí)間跨度來看，火星探測歷程可分為3個(gè)階段。第1階段（1960—1975年），實(shí)施了23次任務(wù)，主要特征是美、蘇在冷戰(zhàn)背景下，以此作為角力場，以互相展示國家能力開展競爭。第2階段（1976—1990年），隨著美蘇競爭戰(zhàn)略重點(diǎn)轉(zhuǎn)移，火星探測進(jìn)入低潮期，僅實(shí)施了2次任務(wù)。第3階段（20世紀(jì)90年代至今），實(shí)施了18次任務(wù)，以發(fā)展新技術(shù)和獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)為主要驅(qū)動(dòng)力，催生了又一個(gè)火星探測的高潮期。

1.2 探測現(xiàn)狀

基于火星與地球的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，受限于當(dāng)前運(yùn)載火箭的能力，每隔26個(gè)月才有一次有利的火星探測發(fā)射機(jī)會[1]。進(jìn)入新的高潮期以來，火星成為國際深空探測的焦點(diǎn)，每次的發(fā)射機(jī)會都有發(fā)射任務(wù)。美國依然引領(lǐng)火星探測的發(fā)展，日本、歐空局、印度相繼加入這一行列，任務(wù)的成功率也提高到2/3。近15年來的火星探測任務(wù)全部取得成功，目前有8顆火星探測器仍在運(yùn)行，包括6顆軌道器和2顆巡視器。

2020年國外還將發(fā)射2顆火星探測器，其中美國1次[2-3]、歐空局與俄羅斯合作1次[4]，均為著陸和巡視探測任務(wù)?？梢灶A(yù)見2020年將迎來火星探測的高峰，呈現(xiàn)出技術(shù)上高新發(fā)展、科學(xué)上全新發(fā)現(xiàn)的局面。

1.3 技術(shù)能力

通過近60年的發(fā)展，人類開展火星及深空探測的技術(shù)能力得到了大大提升。火星探測技術(shù)的發(fā)展按照由易到難的路徑，逐步實(shí)現(xiàn)了掠飛、環(huán)繞、著陸、巡視。同時(shí)，各國開展的火星探測活動(dòng)清晰呈現(xiàn)了各自的技術(shù)能力。日本僅開展了1次火星任務(wù)，目標(biāo)是環(huán)繞，但僅實(shí)現(xiàn)了掠飛；印度則通過首次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了火星環(huán)繞；俄羅斯、歐空局各自成功實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞[5]，均多次嘗試過著陸，但都沒有獲得真正成功，目前雙方正合作實(shí)施火星著陸巡視任務(wù)，計(jì)劃于2020年發(fā)射；美國實(shí)現(xiàn)了火星環(huán)繞、著陸和巡視，下一目標(biāo)是在2030年之前突破難度更大的采樣返回，遠(yuǎn)期目標(biāo)瞄準(zhǔn)載人火星探測。

1.4 科學(xué)成果

已開展的火星探測活動(dòng)，取得了十分豐富的科學(xué)成果，大大加深了人們對火星的認(rèn)識。已獲得的成果表明，火星曾有足夠的內(nèi)部熱能[6]、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈[7]、具有全球性內(nèi)稟偶極子磁場[8-9]、巖漿-火山作用活躍，形成了太陽系最高的火山山峰—奧林帕斯山（Olympus Mons）[10]和太陽系最長的峽谷—水手大峽谷（Valles Marineris）[11-12]；火星曾有比現(xiàn)在濃密得多的大氣層[13-14]，表面存在過液態(tài)水，火星表面觀測到干凅的水系、湖泊和海洋盆地[15-18]，火星有過適宜生命繁衍的環(huán)境，并可能孕育過生命[19-21]；火星存在小天體撞擊形成的巨大撞擊坑和洪水沖刷的痕跡[22-24]?，F(xiàn)今的火星表面是干旱、寒冷的世界，沒有液態(tài)水，大氣成分以二氧化碳為主[25-26]，大氣稀薄，小于1%大氣壓[27]，塵暴肆虐[28-29]；全球內(nèi)稟偶極磁場已消失，成為區(qū)域性的多極子弱磁場[9]；構(gòu)造和巖漿活動(dòng)已基本停息，水體可能轉(zhuǎn)入地下[30-31]；火星的演化歷史基本清晰，火星是一顆老年期的行星。這些成果大大促進(jìn)了太陽系起源與演化、地外生命信息探尋、比較行星學(xué)等深空探測重大科學(xué)問題的研究，進(jìn)一步激發(fā)了人類深入探測火星，甚至是開展載人探測的熱情。

2 我國的首次火星探測任務(wù)

在“嫦娥1號”任務(wù)取得圓滿成功之后，業(yè)內(nèi)專家即開始謀劃我國深空探測后續(xù)發(fā)展。2010年8月，8位院士聯(lián)名向國家建議，開展月球以遠(yuǎn)深空探測的綜合論證，國防科工局立即組織專家組開展了發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施方案論證。首次火星探測是深空探測的起點(diǎn)和重點(diǎn)，實(shí)施方案經(jīng)過三輪迭代和深化，于2016年1月正式立項(xiàng)實(shí)施。

我國首次火星探測任務(wù)起步晚，但起點(diǎn)高、跨越大，基于探月工程的基礎(chǔ)和“長征5號”（CZ-5）火箭的運(yùn)載能力，瞄準(zhǔn)當(dāng)前世界先進(jìn)水平確定任務(wù)目標(biāo)，將在國際上首次通過一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視探測，將使我國成為世界上第二個(gè)獨(dú)立掌握火星著陸巡視探測技術(shù)的國家。

2.1 工程目標(biāo)

突破火星制動(dòng)捕獲、進(jìn)入/下降/著陸（Entry Descent and Landing，EDL）、長期自主管理、遠(yuǎn)距離測控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測和巡視探測，獲取火星探測科學(xué)數(shù)據(jù)。通過這一任務(wù)的實(shí)施，建立獨(dú)立自主的深空探測基礎(chǔ)工程體系，掌握深空探測基礎(chǔ)共性技術(shù)，形成開展深空探測的基礎(chǔ)工程能力，推動(dòng)我國深空探測活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

2.2 科學(xué)目標(biāo)

通過環(huán)繞探測，開展火星全球性和綜合性探測。通過巡視探測，開展火星表面重點(diǎn)地區(qū)高精度、高分辨的精細(xì)探測。具體科學(xué)目標(biāo)包括以下5項(xiàng)內(nèi)容：

1）研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征。探測火星全球地形地貌特征，獲取典型地區(qū)高精度形貌數(shù)據(jù)，開展火星地質(zhì)構(gòu)造成因和演化研究。

2）研究火星表面土壤特征與水冰分布。探測火星土壤種類、風(fēng)化沉積特征和全球分布，搜尋水冰信息，開展火星土壤剖面分層結(jié)構(gòu)研究。

3）研究火星表面物質(zhì)組成。識別火星表面巖石類型，探查火星表面次生礦物，開展表面礦物組成分析。

4）研究火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征。探測火星空間環(huán)境及火星表面氣溫、氣壓、風(fēng)場，開展火星電離層結(jié)構(gòu)和表面天氣季節(jié)性變化規(guī)律研究。

5）研究火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。探測火星磁場特性。開展火星早期地質(zhì)演化歷史及火星內(nèi)部質(zhì)量分布和重力場研究。

3 首次火星探測任務(wù)基本技術(shù)方案

首次火星探測任務(wù)由工程總體和探測器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場、測控、地面應(yīng)用5大系統(tǒng)組成。

探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，總質(zhì)量約5 t。環(huán)繞器配置中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星礦物光譜探測儀、火星磁強(qiáng)計(jì)、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀共7臺科學(xué)載荷，對火星開展全球性、普查性探測。著陸巡視器由進(jìn)入艙和火星車組成，進(jìn)入艙完成火星進(jìn)入、下降、著陸任務(wù)，火星車配置多光譜相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀、地形相機(jī)共6臺科學(xué)載荷，在著陸區(qū)開展巡視探測。

首次火星探測任務(wù)計(jì)劃于2020年7月在文昌航天發(fā)射場，使用“長征5號”運(yùn)載火箭直接將探測器發(fā)射至地火轉(zhuǎn)移軌道。

探測器與運(yùn)載火箭分離后，經(jīng)過中途修正，在近火點(diǎn)附近實(shí)施制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)火星捕獲，進(jìn)入周期約10個(gè)火星日的環(huán)火橢圓軌道，再擇機(jī)實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)，進(jìn)入周期約2個(gè)火星日的橢圓停泊軌道，完成著陸區(qū)預(yù)先探測和著陸點(diǎn)調(diào)整后，擇機(jī)釋放著陸巡視器。環(huán)繞器隨即進(jìn)行軌道調(diào)整，進(jìn)入中繼通信軌道。

著陸巡視器與環(huán)繞器分離后，進(jìn)入火星大氣，通過氣動(dòng)外形、降落傘、反推發(fā)動(dòng)機(jī)等多級減速和著陸腿緩沖，軟著陸于火星表面。火星車與承載平臺分離，在火星表面開展巡視科學(xué)探測。

環(huán)繞器在中繼通信軌道上為火星車提供中繼通信鏈路，兼顧開展科學(xué)探測，運(yùn)行90個(gè)火星日后，進(jìn)行軌道調(diào)整，進(jìn)入遙感使命軌道，開展科學(xué)探測，并兼顧火星車中繼通信。

測控系統(tǒng)基于現(xiàn)有航天測控網(wǎng)和深空測控網(wǎng)（包括北京航天飛行控制中心、佳木斯66 m口徑天線測控站、喀什35 m口徑天線測控站、阿根廷35 m口徑天線測控站），并在喀什深空站補(bǔ)充建設(shè)3副35 m口徑天線與已有天線組成天線陣系統(tǒng)，數(shù)據(jù)下行達(dá)等效66 m口徑天線的能力（設(shè)計(jì)值），輔以甚長基線干涉測軌（VLBI）分系統(tǒng)和必要的國際聯(lián)網(wǎng)，完成火星探測器狀態(tài)監(jiān)視、軌道測量、飛行控制、在軌管理和應(yīng)急處置等任務(wù)。

地面應(yīng)用系統(tǒng)在天津武清新建1副70 m口徑天線，與已有地面數(shù)據(jù)接收天線進(jìn)行組陣，達(dá)到等效80 m口徑天線的數(shù)據(jù)接收能力（設(shè)計(jì)值），確保科學(xué)數(shù)據(jù)的可靠接收，并進(jìn)行處理、解譯，形成標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，組織開展科學(xué)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和研究。

4 首次火星探測任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)

火星與月球環(huán)境差異顯著，這些差異給火星探測任務(wù)的設(shè)計(jì)要求帶來了質(zhì)的變化，為適應(yīng)這些特殊環(huán)境，需要攻克多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。火星與月球探測的環(huán)境差異主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同。月球是地球的天然衛(wèi)星，主要在地球的引力作用下繞地球公轉(zhuǎn)，而火星是行星，與地球同在太陽的引力作用下繞太陽公轉(zhuǎn)。這種差異對軌道設(shè)計(jì)的要求截然不同，比如在發(fā)射窗口方面，理論上月球探測每個(gè)月都有發(fā)射機(jī)會，而火星探測每26個(gè)月才出現(xiàn)一次發(fā)射機(jī)會，對整個(gè)任務(wù)的總體設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)劃管理等方面提出了更高的要求。

2）地火距離更加遙遠(yuǎn)。月球與地球的距離約在36～40萬km之間，而火星距離地球大約在5 600萬～4億km之間變化，地火最遠(yuǎn)距離約為地月距離的1 000倍，無線電信號傳輸時(shí)延達(dá)到23 min。這種差異對天地測控通信能力和探測器自主運(yùn)行能力提出了更高的要求。

3）太陽輻射更加微弱。地球和月球距太陽的平均距離約為1.5億km，平均太陽常數(shù)約1 378 W/m2，火星距太陽的平均距離約為2.3億km，平均輻照強(qiáng)度約為589 W/m2，只有地球的43%。這對火星探測器能源獲取及熱控提出了更高的要求。

4）火星具有稀薄的大氣。月球表面近似真空，火星表面具有密度約為地球1%的大氣，并存在強(qiáng)風(fēng)和沙塵天氣。大氣的影響使得火星著陸更為困難，增加了氣動(dòng)減速和傘系減速的環(huán)節(jié)，控制環(huán)節(jié)更為復(fù)雜。沙塵天氣對火星車的能源、熱控，以及活動(dòng)機(jī)構(gòu)和光學(xué)載荷的安全等都帶來不利影響。

4.1 火星環(huán)境不確定性分析及地面模擬驗(yàn)證

相對于地球和月球，人類對火星的研究還很膚淺，探測數(shù)據(jù)還很缺乏，基于已掌握的數(shù)據(jù)得出的結(jié)論與火星真實(shí)環(huán)境的符合性具有很大的不確定性，這也是以往火星探測成功率很低的根本原因。同時(shí)，我國沒有火星環(huán)境的一手資料，只能通過廣泛查閱國外已公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，確定工程適用的環(huán)境參數(shù)項(xiàng)目，量化環(huán)境參數(shù)及其不確定度，研究模擬火星環(huán)境進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證的方法。

4.2 軌道設(shè)計(jì)與總體指標(biāo)優(yōu)化

火星探測任務(wù)約束條件和設(shè)計(jì)狀態(tài)復(fù)雜，運(yùn)載能力、發(fā)射窗口、測控通信能力等總體指標(biāo)與發(fā)射能量、近火制動(dòng)能量、射向、航落區(qū)安全、中繼軌道、任務(wù)軌道、著陸時(shí)機(jī)、有效載荷工作模式、科學(xué)探測數(shù)據(jù)量等關(guān)鍵因素密切耦合，是典型的非線性、多目標(biāo)問題，5大系統(tǒng)密切配合，通過開展發(fā)射彈道與飛行軌道一體化設(shè)計(jì)、天地測控通信一體化設(shè)計(jì)、科學(xué)目標(biāo)與有效載荷工作模式優(yōu)化、可靠發(fā)射等專題研究，進(jìn)行綜合權(quán)衡與優(yōu)化，保證各項(xiàng)總體指標(biāo)協(xié)調(diào)匹配、總體最優(yōu)。

4.3 自主管理與控制

火星探測器飛行距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)距離地球4億km；飛行時(shí)間長，地火轉(zhuǎn)移飛行約10個(gè)月，環(huán)火探測約2年；同時(shí)受地球、火星、探測器相對運(yùn)動(dòng)和地面站分布的影響，測控通信難以全空間覆蓋；在環(huán)火探測中會經(jīng)歷2次日凌，通信中斷最長達(dá)到30天；測控信號傳輸時(shí)延大，最短超過3 min，最長達(dá)23 min，特別是執(zhí)行近火捕獲、兩器分離等決定任務(wù)成敗且只有一次機(jī)會的軌道控制時(shí)，探測器距離地球約3億km，信號時(shí)延15 min以上，由地面進(jìn)行實(shí)時(shí)測控干預(yù)的條件已不存在，探測器必須自主執(zhí)行預(yù)先注入的指令，并自行判斷指令執(zhí)行的效果，一旦發(fā)現(xiàn)問題，必須在極短時(shí)間內(nèi)根據(jù)自測量信息，進(jìn)行自診斷，并完成故障的自恢復(fù)，對探測器自主導(dǎo)航、管理與控制的能力提出了更高要求。為此，開展了火星安全捕獲制動(dòng)控制，兩器分離與安全升軌控制、長期自主管理和控制策略與方法等專題研究和驗(yàn)證，提升探測器的自主能力。

4.4 火星進(jìn)入氣動(dòng)外形與防熱

火星大氣的成分、密度、分布等與地球截然不同，而通過國外有限的探測得到的相關(guān)數(shù)據(jù)樣本又十分不充分，有關(guān)模型具有很大的不確定性?；鹦谴髿膺M(jìn)入過程的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱問題對氣動(dòng)外形、結(jié)構(gòu)、防熱等設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，而我們的相應(yīng)工程研究基礎(chǔ)幾乎為零。為此，進(jìn)行了大量的風(fēng)洞試驗(yàn)，從積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)開始，開展著陸巡視器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)與優(yōu)化、火星大氣進(jìn)入氣動(dòng)力和熱特性預(yù)測算法研究、建立著陸巡視器氣動(dòng)力和熱標(biāo)稱數(shù)據(jù)，并開展氣動(dòng)數(shù)據(jù)偏差分析等研究，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行著陸艙氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)設(shè)計(jì)。

4.5 火星降落傘

火星具有稀薄大氣，著陸需要用降落傘減速，但火星的大氣密度極低，并且需要在超音速條件下開傘，降落傘設(shè)計(jì)的約束條件與地球返回式衛(wèi)星和載人航天工程采用的降落傘截然不同?；鹦墙德鋫銖膫阈汀⒉牧?、包傘、彈傘、開傘等選擇，到與之相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)、參數(shù)確定，再到驗(yàn)證方法等一系列設(shè)計(jì)要素，均要全新設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。為此，開展了降落傘特紡材料、降落傘的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)、加工和高密度包裝工藝、彈射藥劑的燃?xì)饪刂坪湍芰酷尫胚^程、彈傘筒低沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等分析和攻關(guān)，進(jìn)行了火箭彈高空開傘試驗(yàn)等大量驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了適合火星大氣環(huán)境的降落傘。

4.6 火星軟著陸及巡視的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制

探測器軟著陸火星的進(jìn)入、下降、著陸過程分為氣動(dòng)減速、傘系減速、動(dòng)力減速、著陸緩沖4個(gè)階段，在進(jìn)入火星大氣到著陸到火星表面的短短數(shù)分鐘之內(nèi)，著陸艙要執(zhí)行升力控制、彈傘開傘、拋大底、拋背罩、懸停、避障和著陸緩沖等一系列控制動(dòng)作。這一過程，地面無法實(shí)時(shí)干預(yù)，著陸艙需要根據(jù)預(yù)先注入的指令，自主進(jìn)行導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。由于對火星環(huán)境缺乏了解，EDL過程面臨的環(huán)境存在較大的不確定性，相比月球著陸，一是在進(jìn)入火星大氣初期，著陸艙的初始狀態(tài)（軌道、姿態(tài)）存在一定的不確定性；二是在下降和著陸過程中，存在風(fēng)和沙塵的干擾；三是由于缺乏著陸點(diǎn)地形細(xì)節(jié)的高分辨率圖像，著陸敏感器的測量結(jié)果存在很大的不確定性。諸多的不確定性因素耦合交織，為這一過程的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制帶來了更大的困難。

火星車巡視探測，由于信號時(shí)延大，且受中繼通信時(shí)段的限制，依賴地面指令控制的方式效率極低，已經(jīng)不具備可操作性，巡視的自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制成為實(shí)現(xiàn)探測的前提，特別是對障礙的自主識別和路徑的自主規(guī)劃提出了更高的要求。

為此，開展了火星EDL過程導(dǎo)航、進(jìn)入升力制導(dǎo)與控制、動(dòng)力減速制導(dǎo)與控制、火星著陸障礙物自主識別與火星車自主路徑規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，解決著陸和巡視的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制難題。

4.7 火星車長期生存和移動(dòng)

火星距離太陽遠(yuǎn)且受大氣的影響，輻照強(qiáng)度約為月球表面的20%，沙塵天氣將進(jìn)一步降低輻照，導(dǎo)致火星車的發(fā)電功率很低。此外，由于火星塵的影響，太陽電池發(fā)電量每日衰減，根據(jù)美國“勇氣號”（Spirit）的實(shí)測數(shù)據(jù)，日衰減率為0.1%～0.3%。這些因素都給火星車的能源供給帶來極大的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，火星的平均氣溫在-60 ℃左右，最低可達(dá)-125 ℃[32-33]，且由于存在大氣，對流散熱對火星車保持溫度帶來了更為嚴(yán)重的影響。能源獲取不足而環(huán)境溫度較低的矛盾十分突出，為此，火星光譜匹配太陽電池、太陽電池防塵設(shè)計(jì)、火星大氣環(huán)境隔熱技術(shù)、直接利用太陽能供熱集熱器等攻關(guān)，解決能源問題。

火星車的移動(dòng)也面臨許多不確知的環(huán)境，一是移動(dòng)能力和火星表面構(gòu)造的力學(xué)特性直接相關(guān)，而我們對這些特性知之甚少；二是火星表面石塊等障礙分布密集，火星車以自主行駛為主，被石塊卡滯的風(fēng)險(xiǎn)更大；三是火星表面溫度交變頻繁，存在沙塵天氣，更容易發(fā)生車輪卡死失效；四是火星表面多石塊環(huán)境對車輪輪緣的強(qiáng)度、耐磨性提出更高要求。為此，針對表面構(gòu)造的力學(xué)特性，開展了移動(dòng)動(dòng)力學(xué)與力學(xué)仿真、火星土壤力學(xué)與車輪優(yōu)化、火星復(fù)雜環(huán)境地面試驗(yàn)驗(yàn)證等技術(shù)攻關(guān)；針對火星車更強(qiáng)的遇險(xiǎn)脫困要求，開展了主動(dòng)懸架技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了車體升降、抬輪、蠕動(dòng)等功能；針對車輪，開展了高韌性、耐磨性的一體化結(jié)構(gòu)輪緣設(shè)計(jì)，同時(shí)為緩解火星車越障等引起的沖擊，設(shè)計(jì)了具有減振功能的彈性輪輻。

4.8 行星際測控通信

地球與火星之間距離遙遠(yuǎn)，相比月球探測，無線電信號衰減可達(dá)60 dB，信號傳輸單向延遲長，導(dǎo)致地面接收信號信噪比譜密度極低，軌道測量誤差要放大約1 000倍，探測器與地面測控?cái)?shù)傳鏈路緊張、有效數(shù)據(jù)傳輸困難、傳輸實(shí)時(shí)性差。針對這些特殊情況，相關(guān)系統(tǒng)協(xié)同開展了多基線高精度相位參考干涉測量、精密定軌與預(yù)報(bào)、基于MFSK體制的火星探測EDL段測控、遠(yuǎn)距離高動(dòng)態(tài)低碼速率信號捕獲與跟蹤、X頻段數(shù)字深空應(yīng)答機(jī)、UHF/X頻段器間中繼通信、天線陣異地組網(wǎng)接收等技術(shù)攻關(guān)，通過提高探測器和地面測控通信設(shè)施兩方面的能力，共同解決行星際測控通信問題。

5 首次火星探測任務(wù)的創(chuàng)新

首次火星探測任務(wù)的技術(shù)方案和科學(xué)目標(biāo)體現(xiàn)出以下亮點(diǎn)。

5.1 突破行星探測基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)

1）突破4億km遠(yuǎn)距離條件下的軌道設(shè)計(jì)與精確控制、自主導(dǎo)航與控制、長時(shí)間（60天）自主飛行管理、行星際大時(shí)延（往返40 min）測控通信等深空探測基本的核心關(guān)鍵技術(shù)，將我國的深空探測能力提升至4億km。

2）突破火星環(huán)繞、著陸、巡視探測的特殊關(guān)鍵技術(shù)，如火星制動(dòng)捕獲、近火點(diǎn)漂移軌道設(shè)計(jì)、大鈍體氣動(dòng)外形、超音速盤縫帶傘、動(dòng)力下降控制、高精度自主避障著陸等稀薄大氣行星進(jìn)入/下降/著陸技術(shù)、相比月球更為復(fù)雜的地貌及氣象環(huán)境下的局部路徑全自主巡視與生存技術(shù)。

3）提升深空探測通信能力，對已有深空測控通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)充建設(shè)和改造，并實(shí)現(xiàn)大口徑天線組陣接收技術(shù)的工程應(yīng)用。

這些技術(shù)的突破和能力的形成，將為我國開展更高水平的深空探測奠定基本技術(shù)能力，同時(shí)將帶動(dòng)我國人工智能、自動(dòng)控制、機(jī)電一體化、遙感科學(xué)等相關(guān)技術(shù)再上一個(gè)臺階。

5.2 科學(xué)目標(biāo)特色鮮明

我國首次火星探測任務(wù)將同時(shí)實(shí)施環(huán)繞探測和著陸巡視探測，在國際上尚屬首次，很有特色。

1）既有著眼于火星全球、全局的探測，又有著眼于火星局部地區(qū)的高精度探測，通過環(huán)繞器與火星車有效載荷之間的配合，互為補(bǔ)充，一方面環(huán)繞探測與著陸巡視探測可以進(jìn)行物質(zhì)成分、土壤特性、水冰等探測的天地相互驗(yàn)證；另一方面通過兩器聯(lián)合探測，可增強(qiáng)對火星大氣、電離層、磁場等認(rèn)識的全面性。

2）采取直接探測和間接探測相結(jié)合的方式對火星的水冰進(jìn)行綜合研究，環(huán)繞器和火星車均配置了雷達(dá)，可以直接探測和分辨火星上是否存在水冰；通過各類光學(xué)遙感手段可以對水相地貌進(jìn)行細(xì)致考察，為火星歷史上水的存在和演變研究提供間接證據(jù)；通過火星巖石和礦物的探測，可以建立火星表面水相環(huán)境和次生礦物種類的聯(lián)系，尋找火星歷史上液態(tài)水存在的環(huán)境條件。

3）通過從火星全球土壤類型分布、土壤次表層結(jié)構(gòu)、土壤物質(zhì)成分探測，到火星局部區(qū)域的土壤結(jié)構(gòu)剖面、土壤物質(zhì)成分探測，可以系統(tǒng)地研究火星土壤。

4）通過環(huán)繞器配置的空間環(huán)境載荷和火星車配置的氣象等載荷，可以比較全面、系統(tǒng)地研究火星大氣、電離層及其與太陽風(fēng)的相互作用，揭示火星空間環(huán)境變化特征與演變規(guī)律。

5）在環(huán)繞器和火星車上均配置了磁強(qiáng)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對火星磁場的立體動(dòng)態(tài)觀測，更有效地研究火星電離層、磁鞘磁場小尺度結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化過程，以及火星內(nèi)部局部構(gòu)造。

6 結(jié)束語

首次火星探測任務(wù)開啟了我國月球以遠(yuǎn)深空探測的步伐，我國起步雖晚，但起點(diǎn)較高，通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視，掌握行星環(huán)繞、著陸巡視探測的基礎(chǔ)和共性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展，構(gòu)建我國開展深空探測活動(dòng)的基本能力。