火星，我們來了！

姜浩峰

“以嫦娥四號任務圓滿成功為標志，中國探月工程四期和深空探測工程全面拉開序幕。嫦娥五號月面采樣返回任務將于今年年底左右實施，中國首次火星探測任務將于2020年前后實施。”2019年1月14日，國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳艷華在國新辦發布會上披露了在太空探索事業上的下一步計劃。

這并不是中國官方首次公布自己的火星探索計劃。2018年11月5日，于珠海舉行的中國國際航空航天博覽會上，中國國家航天局系統工程司副司長趙堅，曾介紹中國航天未來深空探測工程領域重點任務：“我國首次火星探測任務計劃在2020年左右實施，實現2021年火星探測器著陸火星。后續至2030年前后，我國還將實施小行星探測、火星取樣、木星系探測及行星穿越等三次深空探測任務。”

迄今為止，全世界已有美國、俄羅斯、日本、印度等國發射過火星探測器，然而，除了美國以外，其他國家成功的案例屈指可數。

作為后來者，中國在完成了探月工程三期以后，準備向火星進發，堪稱一步一個腳印。就連美國國家航空航天局（NASA）局長吉姆·布里登斯廷（Jim Bridenstine）都在勸說美國政府，現在與中國合作還來得及。1月18日，美國方面果然迫不及待披露——美中兩國航天機構正在協調月球探索方面的努力。

探月為火星探測架起“鵲橋”

很多人知道美國、蘇聯以及蘇聯解體后的俄羅斯向火星發射過探測器，實際上，日本和印度也相繼在1998年和2014年向火星發射過探測器。

日本的希望號火星探測器，由日本宇宙科學研究所負責發射升空。在1999年10月到達火星附近時，探測器沒有進入預定軌道，幾經轉軌，最終于2003年被日本放棄。印度的曼加里安號火星探測器，于2013年11月5日在斯里赫里戈達島航天發射場升空，于2014年進入火星軌道。然而，這是一個據稱載荷只有15公斤的小玩意兒。

而中國于2016年1月11日批準立項的火星探測任務，想要做到的則不僅僅是繞著火星軌道轉圈，而是一步實現繞火星的探測和著陸火星表面的巡視。由此可知，中國的火星探測器必將攜帶火星車。

時任中國國家航天局局長許達哲2016年對“一步實現繞火星和著陸”評價稱：“這相當有難度。因為每一個發射窗口要26個月才能遇到，我們正在嚴密地制定工程計劃，爭取在2020年這個窗口發射探測和著陸巡視的火星探測器。”

“由中國的火星探測器可以研究火星的土壤、環境、大氣，甚至世人關注的火星上的水可知——中國2020年發射的火星探測器，肯定比印度的要大很多。”有航天專家向《新民周刊》記者表示，“因為我們有了探月工程的成功經驗，等于是有了基礎。”

專家所言的“基礎”，包括了探月工程的繞月、落月，還有月球車，在未來的探測火星之旅的時候，這些都是用得著的成熟技術。

“中國火星探測器的大小和結構，與嫦娥、玉兔相似，又有不同。”早在2016年，全國政協委員、衛星專家葉培建就曾對媒體如此表述。

探測火星比探月，確實有新的挑戰。譬如探測器落于火星表面，和落于月球表面，有一個重大區別，就是火星有大氣層而月球沒有大氣層。這就意味著火星探測器如果要落于火星表面，必須解決穿越火星大氣層的問題。在著陸火星的過程中，初始降落速度非常快，為避免與火星大氣層摩擦時產生高溫燒毀，需要一定升力幫助它減速，使得探測器外側溫度不那么高。據中國科學院院士、中國月球探測工程領導小組高級顧問歐陽自遠稱，火星由于有大約地球表面百分之一密度的大氣，在探測器著陸時，比著陸月球也有優勢，那就是可以使用降落傘和氣囊。

就公開披露的信息看，2018年全國兩會期間，全國政協委員、中國航天科技集團十一院研究員周偉江曾對外披露，中國計劃于2020年發射的火星探測器，已完成氣動外形設計，以及氣動力、氣動熱設計工作。周偉江稱，與國內外一些探測器采取的調整探測器重心的策略不同，中國著陸火星探測器的獨家秘方是——通過開啟活動控制部件、配合噴流控制來產生升力。

無論探測器設計成什么樣子，地球上的控制中心對它的管控尤為關鍵。以著陸火星為例，如何控制探測器的姿態非常重要，如果它翻起跟頭，可能會被燒蝕或偏離軌道。而在著陸火星的過程中，探測器上會不斷有部件分離。譬如先要拋出前蓋，打開降落傘，這個過程不能影響飛行穩定性。降到一定高度時，要拋掉大底，由于此時準備著陸的探測器是大底朝前降落，這個動作相當于是迎風完成的。接下來，還要把艙里的巡視器拋出去。這些情況，都有可能影響探測器著陸的穩定性，不僅在探測器氣動設計中需要考慮周全，還需要地面管控中心做到精準管控。

地球到月球是38.4萬公里；而從地球到火星，最近距離5500萬公里，最遠距離則要超過4億公里。從地球向探測器發送管控指令，假設管控指令通過電磁波的方式到達月面需要1.28秒，那么，到達5500萬公里以外的火星，就起碼需要180秒。如果在4億公里以外與地球對話，信息發送一個來回則要40分鐘。當在地球上發出的電磁波經過漫長的距離后，信號會衰減，需要更大更靈敏的天線進行接收。

在專家看來，2020年中國的地面測控網應能做到對火星探測器的管控。原因在于：2018年5月，中國的月球中繼衛星“鵲橋”搭乘長征四號丙運載火箭升空，衛星由火箭送入近地點約200公里、遠地點約40萬公里的地月轉移軌道。之后，通過“鵲橋”，人們看到了月球背面的模樣。

盡管僅僅是一顆月球中繼衛星，但“鵲橋”卻擁有幾個世界之最——擁有深空探測器最大口徑通信天線——達4.2米直徑的“巨傘”張開后，可以為嫦娥四號著陸器、巡視器與地面測控站之間的“地月對話”提供便利。除了“巨傘”，“鵲橋”中繼星還有一面超高清“反光鏡”——激光角反射器。地球觀測站發出的激光波束，可以準確找到40多萬公里外高速飛行的“鵲橋”中繼星，通過發送、接收的時間差，計算出星地距離，這是人類歷史上最遠距離的激光測距試驗。

回顧人類探索火星的歷程，至今為止共發射過40多個火星探測器，成功率僅為50%。業內甚至有人稱火星為“探測器墳場”。

事實證明，在某些技術領域，“鵲橋”已經超出了之前探測火星國家所用的中繼衛星。

掌握了先進的中繼衛星技術，未來，中國發射到火星的探測器，也將由先進的中繼衛星引導，與地球測控系統聯系。即便如此，由于屆時火星探測器距離地球確實較遠，信號往返于地球和火星之間的時間較長，在大多數情況下，探測器主要得靠自主控制，獨立完成帆板展開、對日定向、制動捕獲、器器分離和故障診斷等功能。

大功率火箭助力著陸火星

周偉江曾表示，在進行火星探測器設計的時候，必須處處受到嚴格的重量限制。“比如防熱材料，如果用少了，著陸器會被燒壞；多用一點，重量就會超標。各系統、結構要精打細算，一點點摳，幾乎不容許有余量。”

回顧人類探索火星的歷程，至今為止共發射過40多個火星探測器，成功率僅為50%。業內甚至有人稱火星為“探測器墳場”。

火星探測，起始于1960年代的蘇聯。不過，整個1960年代，蘇聯發射往火星的探測器幾乎全部失敗。美國在經歷了最初的失敗后，于1964年11月28日向火星發射了“水手4” 號，終于于1965年7月14日到達火星表面上空9800公里處，并向地球傳回了21張照片。這是人類太空探測器有史以來第一次到達火星附近并傳回照片。之后，美國又開啟了“海盜”號、“火星探路者”、“火星環球勘測者”等計劃，這些探測器都曾成功著陸火星。但美國也有失敗的案例，較近的例子是——1999年9月23日，美國“火星氣候”軌道器在即將進入預定軌道前燒毀。

歐洲探索火星失敗的例子也不少，譬如2003年12月，歐洲“獵兔犬2”號著陸器與“火星快車”軌道器分離后，準備在火星表面著陸時失蹤了；2016年10月20日，歐洲“火星生物學-2016”中的“夏帕雷利”進入、降落和著陸演示器在著陸前與地面失去了聯系，原因由一個僅一秒的計算失誤所致。

至于俄羅斯，2011年11月8日發射的福布斯-土壤號火星探測器變軌失敗，由此也導致了中國搭載的螢火1號火星探測器的失敗。

就美國來說，迄今為止最為成功的火星探索行動，是2011年11月26日發射的好奇號火星探測器，其于2012年8月6日成功著陸火星表面。好奇號原本的設計壽命是一年——不是地球的一年，而是火星上的一年，相當于地球上的687天，或者火星上的669天。然而，就目前情況看，好奇號仍在不斷向地球發回信息。2018年6月7日，美國國家航空航天局公布的信息稱，好奇號在火星巖石和大氣中發現新證據，說明這顆紅色行星可能曾經存在生命，甚至可能仍存在生命。經過2018年9月的短暫故障，2018年11月，好奇號竟然重新恢復工作，繼續超期服役。

美國嘗到了探測器成功著陸火星并超期服役的甜頭，于2018年5月5日，通過“宇宙神”V-401型火箭像火星發射了洞察號火星探測器。洞察號于2018年11月26日成功著陸火星。

在2007年于印度海德拉巴舉行的第58屆國際宇航聯合會大會上，美國國家航空航天局曾宣布，將于2037年派宇航員前往火星。2015年12月，美國國家航空航天局還展開了招聘工作，并稱，成功申請者將有機會前往火星上班。而實際上，這些新招募的宇航員，更可能先搭乘SpaceX公司的載人版龍飛船，前往國際空間站工作，給人類火星之旅做準備而已。

作為航天領域的后起之秀，中國做了很多年的準備，值此嫦娥四號任務圓滿完成之際，拉開了深空探測工程的序幕，準備向火星進發，并希望一步實現繞火星的探測和著陸火星表面的巡視。

“2016年11月3日，中國的長征五號火箭在海南文昌發射場首飛成功。長征五號綽號‘胖五，其近地軌道運載能力達到25噸，地球同步軌道運載能力達到14噸。這說明中國的大火箭研制工作有了突破。”專家認為，長征五號火箭非常適合中國2020年發射的火星探測器。而據歐陽自遠說，2019年嫦娥五號前往月球，就將重新啟用長征五號火箭來發射。

前不久在北京舉辦的“太空探索與人類未來”主題論壇上，國家航天局系統工程司司長李國平披露，2020年發射火星探測器后，中國計劃在2028年左右進行火星探測的第二次任務，屆時，探測器不僅要到達、著陸火星，還將采樣火星上的土壤返回地球。2030年前后開展對木星系和行星系的探測。

《新民周刊》記者了解到，屆時，中國推力更大的火箭——近地軌道運載能力達到140噸的長征九號火箭，將不僅完成將探測器發送到火星的任務，還將載著裝有火星標本的探測器回家。按照航天科技集團一院總體部總體室主任何巍的話說：“長征九號的規模和性能與美國的太空發射系統（SLS）處于同一量級。長征九號運載火箭的研制成功將滿足未來較長時期國內深空探測、載人月球探測等國家重大科技活動的任務需求，可保障我國在未來宇宙探索和空間開發中立于優勢地位。”總之，有了更大個頭的火箭，對于探索火星來說，就會更有安全保障。

至于我們為何要在探月之后探索火星，在接受《新民周刊》記者采訪時，航天專家李必光如此解讀：“探月重點是為了尋找資源和能源，以便人類去開發；而探火最關心的是生命探尋及其演化歷史。火星最像地球，它能不能改造成為第二個地球，以供人類移居，是我們最感興趣的問題。”