2020年，火星探测器再出发

尹怀勤

在4月24日首个“中国航天日”来临之际，中国国家航天局宣布了中国的火星探测任务，即将于2020年左右发射一颗火星探测器。而原定于2018年发射的俄欧火星漫游车近日也宣布推迟至2020年发射。2020年还是美国国家航空航天局（NASA）的“火星2020”漫游车发射的日期。可见，2020年将是一个探测器“扎堆”前往火星的时间窗口。

出师未捷的“萤火”一号

时至今日，人类共向火星发射了43个探测器。成功的尚不到一半。已经执行火星探测任务的只有俄罗斯、美国的部分航天器以及欧洲空间局与印度的各一个航天器。日本发射的一个火星探测器在靠近火星时失踪了。今年3月14日，欧洲空间局和俄罗斯航天机构联合研制的火星“微量气体轨道器”发射升空，目前正在飞往火星的途中。

2011年11月9日，我国第一个火星探测器——“萤火”一号搭乘在俄罗斯的火星土壤采样返回探测器上一起发射升空。遗憾的是，发射升空器箭分离后，俄罗斯的火星探测器未能按计划实施变轨，致使我国探测火星的首次尝试未能成功。

美国“火星2020”任务火星车

“萤火”一号火星探测器本体长、宽各约75厘米，高60厘米，两侧太阳能电池板展开后长近8米，重约115千克，设计寿命为两年。由于火星附近太阳光能量密度比地球低，故而“萤火”一号两侧共有6块太阳能电池板。探测器上携有等离子体探测包、光学成像仪、磁强计、掩星探测接收机等有效载荷。按照原定计划，“萤火”一号将最终进入环绕火星的大椭圆轨道运行，自主完成对火星空间环境和星球表面的探测任务，并对火星进行成像，探究一度似乎在火星表层大量存在的水是怎样消失的，还将与俄罗斯火星探测器联合完成对火星环境的掩星探测，并把获得的数据资料以无线电信号的形式传回地球。

2020年：前往火星的时间窗口

向火星发射航天器可选用多种飞行路线。为了节省能量，各国都采用初始速度最小的飞行路线，并将其称为最佳轨道。最佳轨道只有一条，那就是外切于地球公转轨道、内切于火星公转轨道的双切式椭圆轨道，又称为霍曼轨道。霍曼轨道虽可节约火箭能量，却因速度小而使飞行时间变长，航天器从地球到达火星需要飞行259天，即近9个月的时间。

由于地球和火星都在绕日运行，两者的相对位置不断发生变化。当太阳、地球、火星处于同一条直线上时，称为相冲。两次相冲间隔的时间叫会合周期。显而易见，在一个会合周期内地球、火星及太阳三者之间的每一种相对位置只能出现一次，故对选定的霍曼轨道来说，每一个会合周期内只有一次有利的发射时机。火星与地球的会合周期为780天，即将近26个月，因此每隔26个月才有一次沿霍曼轨道发射航天器的发射窗口。鉴于轨道形状可以在一定范围内改变，发射窗口的时间区段能持续几十天之久，所以仍给发射航天器留下了少许自由度。2020年又遇发射窗口期，故而中、美、俄、欧等国计划发射新研制的火星探测器。

高起点的探测火星方案

“萤火”一号火星探测器原是我国火星探测“绕、落、回”三步走计划中第一步“绕”的组成部分。而我国新的火星探测计划，则将“绕、落”任务合并为一次完成。也就是说，我国2020年火星探测任务将一次性实现“绕”“落”“巡”。至于从火星采样“回”到地球的目标，将视前期任务完成情况而定。直至目前，世界上还没有一个国家从火星取回过样品。

早期的火星探测大多从环绕探测起步，逐渐发展到环绕和着陆探测相结合，近年来已经发展到以巡视探测为主的阶段。随着我国航天技术的进步，直接跳过单纯环绕探测阶段，将环绕探测与巡视探测相结合。与俄罗斯只发射着陆器和美国仅发射巡视器不同，我国要一步到位，实现一次性发射探测和着陆巡视的火星探测器，这将是一个很大的跨越。这意味着，我国火星探测器将包括轨道器、着陆器，待着陆器降落在火星表面后，它还要释放能够在一定范围内进行巡视探测的火星车。着陆器又称科学观测站，轨道器在探测火星的同时，还为另两者的火星表面探测任务提供中继通信服务。

中国火星探测器模型

我国火星探测器模型整体为金黄色，包括轨道器、着陆器、火星车和用于地球与火星之间的远距离通信的白色高增益天线。其着陆器、火星车的大小和结构，与先前登月的嫦娥探测器和玉兔号月球车有相似之处，火星车长约2米，它和玉兔号月球车一样有6个车轮，但个头比玉兔号更大，因此它应比玉兔号具有更强的越障能力。

与此同时，我国规划的南美洲深空站将于2016年末建成。该站投入使用后，将实现我国深空测控网的全球布站，具备S、X和Ka共3个频段功能的测控和数据接收能力，对深空探测器的测控覆盖可达到90%以上，可为我国用航天器探测火星等深空探测提供测控支持。也就是说，届时我国将完全具备支持自主火星探测任务测控通信等基本功能，能使探测器临近火星时应时制动减速，从而被火星引力捕获，使轨道器、着陆器、火星车分别进入预定位置，开展探测工作，还能将数据资料发回地球且被成功接收。

火星探测的目标和过程

我国火星探测的科学目标基本上围绕这几个方面：一是探测火星空间环境，包括火星大气；二是通过光学遥感探测火星形貌，看看火星表面长什么样；三是通过光谱等探测火星土壤元素、矿物成分及岩石类型；四是探测火星土壤结构及水冰，火星表面甚至地下浅层是否有水。

在2020年中期的发射窗口期，我国将用近地轨道运载能力为25吨以上的长征五号乙运载火箭，从海南文昌航天发射中心发射自主研制的火星探测器。探测器在霍曼轨道上经过约9个月的星际航行于2021年抵达火星。在此期间，需要启动探测器自身携带的变轨发动机和姿态控制发动机进行多次中途轨道修正。当探测器飞抵火星附近时，必须进行近火制动。为此，它要适时调整姿态并启动变轨发动机进行减速，以便实施火星轨道捕获。

在实现火星捕获后，探测器将进入环绕火星的大椭圆轨道运行。再经一段时间的轨道调整，探测器最终将进入预定的工作轨道绕飞，并对火星开展为期多年的探测工作。在探测器以大椭圆轨道运行接近火星的适当时机，它将释放着陆器。后者在下降到距离火星一定高度时立即打开降落伞，依靠火星的大气进行减速，随即软着陆于预选的火星表面地点附近。待着陆器稳定各项指标状态正常后，它再展开支架让火星车滑到星面，按预定程序经过调整后火星车即可开始巡视探测工作。

由于我国火星车将使用太阳能供电，从光照角度考虑，最理想的登陆地点是火星赤道附近，但火星赤道附近地形复杂，加之登陆火星99%以上的减速是靠大气，因此着陆点海拔越低减速时间越长，登陆越安全。综合考虑地形复杂度、高程、光照、温度等各种条件和因素，火星比较适合着陆点选在北纬5～30度的区域。当然。实际降落时会有一定的可容许的偏差。

我国古代将火星称为“荧惑”，它曾深深地影响着古人的宇宙观。探测火星既可以引领航天技术的进步，又可能获得新的科学发现，从而丰富人类对火星乃至宇宙深空的认识。

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美国“火星2020”计划

美国“火星2020”计划是迄今最先进的火星探测科学研究计划，该计划如果顺利实现，将为2030年将人类送上火星铺平道路。预计2020年7～9月择机发射的“火星2020”计划的新一代火星车将搭载7台科学载荷，对火星进行原位探测，开展地质评估，分析火星远古生命的迹象及其潜在的宜居性。与此同时，它还将收集岩石样品，并将样品用密封罐储存起来，放置于火星表面，待未来发射的第二个火星探测器将样品提取并送入轨道，另一个火星探测器则“抓取”轨道上的样品并将其带回地球。

【责任编辑】庞 云