路漫漫其修远兮——从月球车到火星车，我们还要走多久？

□ 庞之浩

路漫漫其修远兮
——从月球车到火星车，我们还要走多久？

□ 庞之浩

2013年12月14日，嫦娥3号着陆器成功落在月球表面。它所携带的玉兔号月球车于12月15日驶上月面，使我国成为世界第二个掌握无人月球探测车技术的国家。至此，一些关心我国空间探测未来发展的航天爱好者马上联想到我国未来的火星车应该是什么样子，它能借鉴玉兔号的研制技术吗？探测月球与探测火星有什么区别？要回答这个问题，首先要了解月球和火星各自的概况，然后才能通过对比分析认识它们的异同。

两个星球，两个世界

虽然月球与火星都是地外星球，但它们有很多不同之处，飞往和着陆火星，面临的是截然不同的挑战。

月球以1.02千米/秒（368 3千米/小时）的速度，在稍扁的轨道上绕地球公转，离地球有时近有时远，最近时约36万千米，最远时约40万千米，平均距离约为384400千米。而火星以椭圆轨道绕太阳飞行，它与地球的最近距离约为5500万千米，最远距离则超过4亿千米。大约每隔26个月就会发生一次火星冲日，地球与火星的距离在冲日期间会达到极近值，通常只有不足1亿千米。

月球是地球唯一一颗天然卫星，其质量相当于地球质量的1/81，所以引力小，其表面重力只有地球的1/6。而火星比月球大许多，质量相当于地球质量的11%，其表面重力约为月球的2.5倍、地球的4/10。

月球上没有大气，所以没有风雨阴晴的变化。在月球上无法靠对流的方式来传递热量，这使得月球的白天和夜晚的温差高达310℃。月球白天最高温度可达1 30°C；晚上温度会下降到－1 80°C左右，且月球的白天和夜晚各自长达13.5天。

中国玉兔号月球车工作实景

火星有大气，但非常稀薄，密度大约为地球的1%。火星赤道附近中午时温度可达20℃，两极最低温度可达－1 40℃，火星上的平均温度大约为－55℃。巨大沙尘暴是火星大气中独有的现象，几乎在每个火星年里都要发生一次，最大可达地球1 2级台风的几倍，而且一旦刮起来可持续三个多月。

由于月球的自转和公转周期一样，都是一个恒星月（27日7时43分1 1秒），所以在地球上只能看见月球的一面，背向地球的一面永远看不见。而火星自转周期为24小时37分，即火星上的一天几乎和地球上的一样长。火星公转一周约为687天，即火星的一年约等于地球的两年。

在月球上，除悬崖峭壁外，几乎所有月面都覆盖着平均厚度为3～5米的月壤，它们主要是机械作用的产物。陨石的频繁撞击，撞击溅射物的不断堆积，宇宙射线的轰击和剧烈的温差促使月表岩石破裂和粉碎，这些机械作用最终形成月壤。月壤的粒度分布很广，但绝大部分颗粒在30微米到1毫米之间，摸起来跟面粉一样细腻。月壤主要由月球岩石碎屑、粉末、角砾、撞击熔融玻璃物质组成。

火星和地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷，基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，因遭陨星袭击地表坑洼不平。它最引人注目的地形特点是干涸的河床，多达数千条，蜿蜒曲折，纵横交错。它们主要集中在火星的赤道区域附近。

飞往火星，诸多不易

从上述对比可以看到，月球和火星大相径庭，而这些差异直接影响到月球车和火星车的设计、研制、试验、发射、着陆、巡视和探测等许多方面。例如：

复杂的研制周期和发射时间 月 球探测器基本每个月都有1次发射窗口。而火星距地球的距离比月球距地球的距离远得多，每隔26个月才会相距较近，即每26个月才有一次发射窗口，所以在确定火星探测器的研制周期和发射时间方面要比月球探测器复杂。

更大推力的发射火箭 由于火星距离地球十分遥远，所以对发射火星探测器的火箭要求也比较高。月球探测器进入地月转移轨道的速度为10.9千米/秒。而火星探测器要进入地火转移轨道的速度必须达到第二宇宙速度才行，即11.2千米/秒，以脱离地球引力。因此，发射同等质量的月球探测器和火星探测器时，后者要求用推力更大的火箭。

更为复杂的测控通信 因为火星探测器飞往火星的的时间和距离比月球探测器飞往月球的的时间和距离长得多，前者最快需8个月左右，后者最快只需四五天就能到达目的地，所以对火星探测器的测控要比对月球探测器的测控通信复杂得多。

好奇号在火星表面用激光进行无接触探测示意图

超链接：复杂的火星探测器测控通信

1 传输信号衰减

由于测控通信的信号强度与距离的平方成反比，经过几亿千米的路程，火星探测器传回地球的信号变得十分微弱，并且宇宙空间存在着各种各样的噪声，很容易把传输信号淹没掉。测控火星探测器，对探测器本身以及地面测控站都提出了很高的要求，它既要求火星探测器装有高增益天线，也要求地面有天线直径很大的深空测控站（天线的直径和探测距离成正比，增大天线口径可以增加探测距离）。近年，我国在佳木斯和喀什分别建成了直径64米和35米S/X双频段地面深空测控站（以前是18米），它们能满足未来火星探测器的测控要求。

2 传输信号延时

由于距离地球远，火星探测器测控信号的传输延时很长，单向就达15～20分钟，而月球探测器测控信号的传输延时单向仅为1秒多，所以对火星探测器的遥测遥控比月球探测器更为复杂，并要求火星探测器要有更高的自主性。

3 飞行轨道修正

由于路途漫漫，火星探测器在飞往火星的途中要进行比月球探测器次数更多、更精确的轨道修正才行，这样才能准确地飞到火星。如果火星探测器的出发速度有1米/秒的误差，探测器飞到火星附近时就会有10万千米的偏差。

要求更高的太阳电池翼 因为火星探测器远离太阳，它所受到的太阳辐射强度大大减弱，所以火星探测器的太阳电池翼性能需更高。另外，火星车的太阳电池翼还要能经受火星巨大沙尘暴的考验，美国第一代火星车，就是因为火星沙尘暴覆盖了其太阳电池翼而没有开展更长时间的探测工作。

嫦娥3号利用发动机反推减速在月面软着陆过程示意图

准备在火星着陆的探测器在进入火星大气后需由气动壳体提供热防护，这是落月探测器不会遇到的问题。

火星软着陆，恐怖七分钟

由于月球没有大气，所以落月探测器不能依靠降落伞来减速进行软着陆，而只能靠自己的发动机反推来减小下降速度，有人称落月探测器着陆过程为“黑色720秒”。 似乎在月表着陆比在有大气的火星表面着陆更难。

其实，在火星上着陆也不容易，被称为“恐怖的7分钟”。由于无法依靠地面遥控，所以火星探测器切入火星轨道的难度相当于从巴黎打一个高尔夫球，正好落到了日本东京的某个球洞里。在探测器切入火星轨道后，如果要在火星表面着陆，其过程类似于返回式卫星，但技术难度大得多，因为遥测和遥控信号十分微弱；另外，当探测器运动到火星背面时，地球无法准确地确定其轨道参数，这就给再入高度的选择带来困难。有一名美国科学家曾形容火星探测器着陆时的心情，就好像丈夫在产房外等待妻子分娩一样。许多探测器都因此功亏一篑。1999年12月3日，美国“火星极区着陆器”在即将登陆火星表面时，由于软件错误导致其起减速作用的火箭发动机过早关闭，最终撞毁。2003年，欧洲猎兔犬2号着陆器在与火星“火星快车”轨道器分离，准备在火星表面着陆时便失踪了。

勇气号和机遇号火星车着陆时使用的气囊对在火星安全着陆有重要作用。它使用了一种新型合成材料，可以在低温条件下保持良好的性能。

包裹在气囊中的勇气号火星车向火星表面着陆

空间探测器在地外星球软着陆方式目前主要有三种：一是气囊弹跳式，二是着陆腿式，三是空中吊车式，每种方案都有优缺点。气囊式比较简单，成本低，但只能满足重量小的探测器软着陆要求；空中吊车式反之；着陆腿式介于它们两者之间。前苏联月球车1号、2号、美国阿波罗登月飞船和我国嫦娥3号月球探测器采用缓冲发动机反推＋着陆腿方式；美国海盗号、凤凰号火星着陆器采用降落伞＋缓冲发动机反推＋着陆腿方式；美国“火星探路者”、“火星漫游者”采用降落伞以及气囊弹跳方式；美国 “火星科学实验室”采用降落伞＋缓冲发动机反推＋空中吊车方式。

在地外星球着陆后也不是万事大吉。因为火星的重力比月球大许多，火星的气候、表面的环境、行驶的路况也与月球千差万别，所以在火星车的设计、研制和试验等方面，都与月球车有许多不同，其中在某些方面月球车难度可能更大，例如：

由于没有大气以及月球自转慢，月夜有长达1 3.5天的－1 80℃超低温，所以落月探测器的热控系统比较复杂。而火星车就不会遇到这种恶劣的温度环境，但它要经受火星沙尘暴的考验。

月球车和火星车行驶的路况、环境等不同，所以它们在移动分系统（包括轮子）、导航控制分系统、有效载荷分系统等方面也不同。例如，月球车可采用地面遥控与自主控制相结合的办法进行巡视探测，而离地球遥远的火星车需采用自主控制为主的办法进行巡视探测；月球自转慢，且没有大气，其上的探测仪器可对宇宙天体进行全波段连续观测，而火星没有这一优势；月球车如果落在月球背面，就必须依靠月球中继卫星与地球联络，而火星车不存在这个问题。

总之，虽然月球车和火星车有一些相同之处，研制时可以进行一定的相互借鉴，但由于它们所探测的星球有很大的不同，因此在设计时差别很大，各有各的难处，似乎火星车的研制和运行更难，这也是一般都是先探月、后探火的原因吧。

好奇号通过降落伞和空中起重机方式在火星表面着陆

前车之鉴，后事之师

前苏联曾打算在1 971年把两辆火星车送到火星表面，但其中一辆坠毁，而另一辆着陆后仅20秒就出了故障。至今，只有美国成功研制、发射和运行了三代火星车。通过了解它们，对其他国家未来研制火星车，有较大的参考作用。

利用降落伞在火星着陆示意图

美国凤凰号火星着陆器利用发动机反推着陆

旅居者号火星车

1 996年1 2月4日，美国成功发射了携带旅居者号火星车的“火星探路者”探测器。该探测器于1997年7月4日成功采用降落伞加气囊着陆装置在火星表面登陆。这是人类首次把火星车送到火星表面。旅居者号火星车体积只有烤面包炉大小，仅重10千克，它用6个轮子在火星表面行驶，在火星上工作了83天。旅居者号的车架悬挂装置使其能爬过小的岩石，设计速度为40厘米/秒～1厘米/秒。它携带了3台相机和1台阿尔法质子X射线光谱仪，由车顶的太阳能电池板提供电力，并依靠3台放射性同位素加热装置来保持温度。其6个轮子是铝制的，其中前后4个轮子可独立转动。

分别在2004年的1月3日和24日着陆的“火星漫游者”携带的勇气号和机遇号是美国第二代火星车。它们一模一样，但在个头和能力上都比旅居者号高出一筹。例如，其大小与高尔夫球场的小车相似，重174千克；每台火星车装有9台相机，其中全色相机所拍的彩色照片总像素达到120 0万，清晰度是此前人类拍摄的最好火星照片的3～4倍；设计的巡视距离是旅居者号的6～1 0倍，约600～1 000米；行进最高速度是5厘米/秒（平均速度约1厘米/秒）等；能爬45°以下的坡，并可以跨过大于轮直径（25厘米）的障碍（如岩石）或洞；携带了岩石钻探工具和显微成像仪；原设计寿命3个月，但机遇号现在还在工作。

由“火星科学实验室”携带的美国好奇号火星车于2012年8月6日安全着陆火星。它是美国第三代火星车，其体积与小汽车相当，质量将近900千克，长度约是第二代火星车的2倍，装载的科学仪器质量是是第二代的1 5倍，设计寿命为一个火星年(约687个地球日)。“火星科学实验室”首次使用了空中吊车新型着陆技术在火星上软着陆，并采用了核电源，因而大大增加了好奇号的着陆精度和使用寿命，能避免太阳电池被火星尘土覆盖而影响发电效率。其6个轮子分别具有独立的驱动马达，能保证探测器在任何方向倾覆45°而不发生翻车。它可原地转弯360°，越过直径约为50厘米的坑，翻越约65～75厘米高的障碍物，在平整坚硬的地面上行驶的最高速度为4厘米/秒，每天在火星表面累计行驶200米，总行驶范围约为20千米。其机械臂可以完成拍摄图像、打磨岩石、分析岩石和土壤组成等多种任务；桅杆上的激光探测器可在无接触的情况下调查7米处的目标物体成分，从而对火星上一些“死角”进行考察。

由上述可见，空间探测技术水平最高的美国，在研制复杂的火星车方面也采取了循序渐进的方式，这是符合科学规律的，值得我们思考和借鉴。

（责任编辑 张恩红）