漫談火星探測任務(wù)

毛新愿

火星是地球的鄰居，但這個鄰居“住”得并不近，它與地球的距離在5 500萬千米～4億千米之間變化，就連速度極快的光單程都需要走3分鐘～22分鐘。不僅如此，地球與火星每隔780天才有一次會合機(jī)會，而對于地球上的我們來說，只有會合前幾個月的時間窗口才適合開展火星探測?？梢姡覀兿氲竭@個鄰居家拜訪一次著實不易。

雖然很困難，但人類還是走出家門開啟了一次次火星探測之旅。不過，人類每次拜訪火星的方式是不同的：有時是從火星身邊飛掠而過，有時是在火星軌道上環(huán)繞觀測，有時是在火星表面降落，有時是在火星表面開車巡視。總而言之，拜訪的目的五花八門，做客的方式多種多樣。今天我們就來聊聊火星探測的四種方式都有哪些門道。

驚鴻一瞥：飛掠任務(wù)

飛掠任務(wù)就是探測器在火星附近飛速掠過，并在極短的時間內(nèi)抓住一切機(jī)會記錄有用數(shù)據(jù)，隨后滑入深空。相比動輒數(shù)月的深空旅行時間，觀測火星的真正有效時間僅在1天左右。

對于火星探測這種昂貴的任務(wù)，飛掠是非常不理想的設(shè)計。但是沒有辦法，人類在20世紀(jì)60年代開啟火星探測時，火箭運(yùn)輸能力、探測器自身的推進(jìn)能力、軌道控制和確定精度能力都有明顯不足，很難讓探測器制動減速，留在環(huán)繞火星的軌道上。所以，飛掠就成了無奈之舉。不過，能實現(xiàn)工程驗證目標(biāo)、以一瞥火星真容為核心的飛掠任務(wù)是在當(dāng)時的技術(shù)水平之下成功率相對最高的做法了。

然而，在火星探測的起步階段，連飛掠這個目標(biāo)都很難實現(xiàn)。1960年到1964年，蘇聯(lián)和美國拉開的火星探測大幕，開局就是6次慘烈的失敗。

“水手4號”探測器

1965年，“水手4號”探測器拍攝的歷史上首張火星近距離照片

失敗并不可怕，總會迎來曙光。1964年11月28日，美國發(fā)射的“水手4號”探測器終于在1965年7月15日成功從火星附近飛掠而過，最近時距離火星約1萬千米。在短暫的觀測時間內(nèi)，探測器努力將鏡頭和各種科學(xué)儀器對準(zhǔn)火星，拍攝了22張火星照片，并記錄了火星的磁場、溫度、大氣等研究數(shù)據(jù)，隨后滑入深空，與火星永別。

隨著探測技術(shù)的逐步發(fā)展，以飛掠為目標(biāo)的火星探測任務(wù)逐漸消失，但也有一些探測地球外側(cè)天體的探測器“兼職”飛掠探測了火星。例如探測彗星的“羅塞塔號”和探測小行星帶的“黎明號”都曾飛掠火星。2018年發(fā)射的“洞察號”著陸器也帶了兩顆微小衛(wèi)星飛掠火星。

登高望遠(yuǎn)：環(huán)繞任務(wù)

慢慢地，隨著技術(shù)的進(jìn)步，探測器靠近火星后已經(jīng)可以依靠自身動力制動進(jìn)入環(huán)繞火星的大橢圓軌道。如果探測器的推進(jìn)能力更強(qiáng)或者能夠借助火星頂部的稀薄大氣緩慢“剎車”，它甚至可以直接變軌進(jìn)入圓形軌道。軌道高度越穩(wěn)定，觀測起來就越有效率。

軌道器又名環(huán)繞器，它能夠長期環(huán)繞火星，登高望遠(yuǎn)，所以可以采集到關(guān)于火星的海量數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們就可以全方位地研究火星的磁場、大氣層、重力場、水、淺層土壤等方面的情況，極大地豐富了人類對火星的認(rèn)知。此外，軌道器還能起到至關(guān)重要的信號中繼作用，可以服務(wù)于降落在火星表面的著陸器和巡視器。比如著名的“奧德賽號”探測器，它于2001年發(fā)射后，在軌道器的幫助下至今已經(jīng)工作了將近20年，這個紀(jì)錄還在不斷被刷新呢！

“奧德賽號”探測器

觀天測地：降落任務(wù)

降落任務(wù)的最大優(yōu)勢是能更仔細(xì)地研究火星表面的各種細(xì)節(jié)，尤其是對水、氣象、底部大氣、土壤成分、地表地貌、潛在有機(jī)物和深層土壤的研究。但需要說明的是，受重量和能量限制，著陸器自身不可能攜帶巨大的天線與地球直接聯(lián)絡(luò)，它僅能將所有信息發(fā)給火星上空的軌道器，讓其代為轉(zhuǎn)發(fā)。比如，2018年發(fā)射的“洞察號”探測器，它有著陸器，可以降落在火星表面，深入研究火星內(nèi)部的熱流和地震信息等。

火星降落是人類航天事業(yè)的頂級科技之一，最典型的特點就是著陸系統(tǒng)需要完全自主導(dǎo)航、控制完成著陸之旅。標(biāo)準(zhǔn)的火星著陸過程持續(xù)時間僅為7分鐘左右，遠(yuǎn)不夠完成一次地球與火星之間的通信，這意味著全程多個復(fù)雜的動作，著陸器必須自主完成。這樣一來，就對著陸器的軟件和硬件提出了極高的要求。

“洞察號”著陸器

自由移動：巡視任務(wù)

巡視器又名火星車，它相比不能移動的著陸器而言，最大的優(yōu)勢就在于可以隨處移動，意義不言而喻。由于不帶有固定著陸器必須攜帶的推進(jìn)劑儲罐、著陸腿、支撐結(jié)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)等復(fù)雜部分，巡視器可以集中搭載科研載荷，從事多地點、多方面的精細(xì)研究。

近年來，火星車已成為火星探測的核心，復(fù)雜程度越來越高，待機(jī)時間也越來越長。一些著名的任務(wù)，如“勇氣號”“機(jī)遇號”，其火星車使用的太陽能電池板已經(jīng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)超預(yù)期的工作時長。昂貴的“好奇號”火星車以放射性同位素電池（又名核電池）為主要動力，可以全天候工作、超長待機(jī)，著陸火星8年仍在辛勤工作。

就像探月任務(wù)一樣，隨著探測技術(shù)的不斷提升，探測任務(wù)也會更加多樣?，F(xiàn)在，第五種火星探測任務(wù)——“采樣返回”已在醞釀之中。只有探測任務(wù)不斷豐富，我們才能從火星上獲取更多的信息，為移居火星做更充分的準(zhǔn)備。

“勇氣號”火星車