漫談火星探測任務

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。可見，我們想到這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

飛掠任務就是探測器在火星附近飛速掠過，并在極短的時間內抓住一切機會記錄有用數據，隨后滑入深空。相比動輒數月的深空旅行時間，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，飛掠是非常不理想的設計。但是沒有辦法，人類在20世紀60年代開啟火星探測時，火箭運輸能力、探測器自身的推進能力、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，留在環繞火星的軌道上。所以，飛掠就成了無奈之舉。不過，能實現工程驗證目標、以一瞥火星真容為核心的飛掠任務是在當時的技術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，連飛掠這個目標都很難實現。1960年到1964年，蘇聯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，探測器努力將鏡頭和各種科學儀器對準火星，拍攝了22張火星照片，并記錄了火星的磁場、溫度、大氣等研究數據，隨后滑入深空，與火星永別。

隨著探測技術的逐步發展，以飛掠為目標的火星探測任務逐漸消失，但也有一些探測地球外側天體的探測器“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年發射的“洞察號”著陸器也帶了兩顆微小衛星飛掠火星。

登高望遠：環繞任務

慢慢地，隨著技術的進步，探測器靠近火星后已經可以依靠自身動力制動進入環繞火星的大橢圓軌道。如果探測器的推進能力更強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入圓形軌道。軌道高度越穩定，觀測起來就越有效率。

軌道器又名環繞器，它能夠長期環繞火星，登高望遠，所以可以采集到關于火星的海量數據。根據這些數據，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知。此外，軌道器還能起到至關重要的信號中繼作用，可以服務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年發射后，在軌道器的幫助下至今已經工作了將近20年，這個紀錄還在不斷被刷新呢！

“奧德賽號”探測器

觀天測地：降落任務

降落任務的最大優勢是能更仔細地研究火星表面的各種細節，尤其是對水、氣象、底部大氣、土壤成分、地表地貌、潛在有機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絡，它僅能將所有信息發給火星上空的軌道器，讓其代為轉發。比如，2018年發射的“洞察號”探測器，它有著陸器，可以降落在火星表面，深入研究火星內部的熱流和地震信息等。

火星降落是人類航天事業的頂級科技之一，最典型的特點就是著陸系統需要完全自主導航、控制完成著陸之旅。標準的火星著陸過程持續時間僅為7分鐘左右，遠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

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劑儲罐、著陸腿、支撐結構、控制機構等復雜部分，巡視器可以集中搭載科研載荷，從事多地點、多方面的精細研究。

近年來，火星車已成為火星探測的核心，復雜程度越來越高，待機時間也越來越長。一些著名的任務，如“勇氣號”“機遇號”，其火星車使用的太陽能電池板已經實現了遠超預期的工作時長。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，著陸火星8年仍在辛勤工作。

就像探月任務一樣，隨著探測技術的不斷提升，探測任務也會更加多樣。現在，第五種火星探測任務——“采樣返回”已在醞釀之中。只有探測任務不斷豐富，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備。

“勇氣號”火星車