火星探测器发展简述及远景展望

林来兴（北京控制工程研究所）

1 引言

太阳系的八大行星中，只有火星与地球很相似，它的直径是地球的53%，质量为地球的11%。值得注意的是，火星的自转周期以及自转轴倾角和地球差不多，火星与地球很像是“孪生兄弟”。但是，目前的火星却是一个地表满是沙丘、砾石的沙漠行星。火星既不温暖，也不湿润，沙尘暴也常年发生,和地球的地质活动相比，火星显得很平淡。现在的很多陨石坑或者峡谷都是在远古时期形成的，但就是这样一个红色的行星，人类偏偏喜欢和它“亲近”。根据目前科学家的发现，大约在几亿年前，火星的环境和现在的地球类似，河流、湖泊以及海洋一应俱全。但是不知是何原因，火星变成了如今这副贫瘠的模样。[1]如果人们可以找出火星环境改变的原因，那么对于人类的生存也将具有重大意义。另一方面，对今天拥有高度发达科技的地球人，能否改善火星状态，把它变成第二个地球，例如火星地球化（火星加热，提高大气浓度，种草，种树等），需要几个世纪不断的努力。

为此，我们对60年来全球火星探测发展所取得的成绩和宝贵经验进行简要的客观评价，并以积极的态度、科学的精神渐行前进，有计划地对今后发展做个较为系统而全面的展望。

2 火星探测器发展简述

发射火星探测器成功与失败概率及其主要原因分析

我们将60年来发射火星探测器的历程分为前期与后期两部分：

（1）前期（1960－1989年）

这一阶段历经近30年,全球共实施了25次火星探测任务,其中失败14次,成功6次,部分成功5次。失败率为56%,完全成功率为24%。[2-3]经过研究分析,失败的主要原因如下：

1）初期人们对火星情况了解较少,有些甚至停留在天文学水平；

2）在冷战期间,以政治目的为需要,争取第一,有些任务急忙上马,在条件不完全具备的情况下也执行发射任务；

3）初始期间发射火星探测器的有关技术水平较低,例如,火箭发射能力与质量,遥远距离测控水平与能力等。

（2）后期（1990－2020年）

从1990年到2020年这30年,全球共实施了22次火星探测任务(其中3个于2020年发射，现正在途中), 其中失败6次,成功14次,部分成功2次。完全成功率为64%,失败率为27%。[3]由此可见,成功率与失败率前后两个阶段正好相反。经过研究分析,后期任务成功的主要原因如下：

1）前期所缺少的3个因素在后期都逐渐克服,并且探测器在数量与质量方面都有极大提高,从而具备成功基本条件；

2）积极开发应用星载计算机与软件,提高系统可靠性、自主性和智能技术,以适应遥远的近亿千米距离的测控操作；

3）开展了大量应用地面仿真实验验证,从系统到关键部件与机构,采用各种仿真方法(数学和物理)进行试验验证,所有产品和系统都必须通过仿真验证才能出厂,保证了产品和系统的性能和可靠性。

概括分析60年来火星探测器的发展，除了成功率提高以外，探测能力也有所提升，增加了火星车表面巡视多种探测手段，以及取样贮存等，这说明火星探测器发展是渐进的。

60年来，火星探测器成功与部分成功所占比例为58%,这相比于地球轨道卫星来说是很低的,但是对近亿千米距离的火星来说,是中等偏低水平,为此今后还应继续努力。

火星探测的关键阶段和关键技术

（1）关键阶段

火星探测器从地球到火星，飞行距离近亿千米，历时约200天，可以划分为如下4个关键阶段，确保探测器安全经过关键阶段是成功的必要条件。

1）地火转移轨道阶段。地球轨道转到火星轨道最佳方案为霍曼变轨,燃耗最小,火箭在此时刻发射入轨。太阳和地球之间画一条连线，太阳和火星之间画一条线，这两条线之间的夹角达到44°，这就是探测器和火星相遇的最佳时间点。在限定的发射窗口内将探测器送入地火转移轨道是任务成功的第一步，这个阶段任务的关键就是保证地火轨道的飞行精度。

2）捕获火星轨道阶段。探测器达到火星附近要进行轨道捕获，利用发动机进行减速制动。若速度降得不够多，探测器将飞离火星。速度降得过大，可能直接撞击到火星表面或者进入大气层烧毁。

3）进入下降着陆（EDL）阶段。火星探测器速度要由4～6km/s迅速降到接近0（软着陆)，而且这段时间仅有7～8min，是真正的危险阶段，下降速度很大，时间很短，一旦出问题后果就会非常严重，探测器很有可能烧毁。前期发射的很多火星探测器都是在此阶段损毁。

4）表面巡视探测阶段。首先是分离，要求安全、平稳步入火星表面，速度一般较慢，如：天问一号探测器的火星车需约10min才能从转移梯子上行驶到火星表面。然后是巡视探测，火星车设备与仪器全部启动，火星车按计划开始行走探测。

以上各阶段的重要性虽然不尽相同，但是都必须按次序通过，否则探测任务将很容易夭折或者失败。

（2）关键技术

1）超远距离测控通信技术。地球与火星最远相距约4亿千米，通信信号在如此遥远距离的情况下衰减可达280dB，为了克服巨大的信号衰减，一方面要依靠提高星载设备的性能，另一方面更需要地面站设备的配合，来提高发射上行大功率信号和接收下行微弱信号的能力，保证火星探测器与地面站的超远距离通信。这就要求在下行传输过程中，探测器上具有较大发射功率，星载天线具有较大的增益，且地面站足以接收来自数亿千米远的火星探测器发回的微弱信号。同时，在上行传输过程中，要求星上接收机具有较高的灵敏度。

2）自主导航与控制技术。火星探测器距离地球远，通信时延大，飞行时间长，任务环境复杂，仅依靠地面测控网的导航与控制，在精度、实时性和可靠性等诸多方面受到限制，难以满足火星捕获制动、进入下降着陆等特殊任务阶段的高精度实时导航与控制需求，自主导航与控制技术是解决这些问题的有效途径，目前已实现的深空探测任务一般都具有一定的自主导航与控制能力。

3）自主管理与故障重构技术。火星探测器飞行任务通信时延大，往返时间可达40min；还存在长达几十天的日凌，在此期间，探测器上下行链路受太阳影响而恶化，地面站无法与探测器建立联系。这就要求探测器具有更强的自主管理与故障重构能力，以便在地面授权的前提下，探测器自主完成一定飞行任务，同时保证探测器在某些故障和应急情况下，自主完成故障诊断、隔离与重构。针对火星探测长时间日凌、大时延通信的任务特点，需要突破自主飞行管理、自主故障诊断与重构、未知环境下的环境感知与建模、复杂地形下自主全局定位、自主巡视与生存等关键技术。

4）进入下降着陆技术。EDL过程飞行环境动态范围变化大、不确定性强，是火星着陆任务成功的关键。针对火星表面稀薄大气（仅有地球大气密度的1%）的特点，EDL技术涉及到高性能大钝体气动外形、高效率可控降落伞、高精度高容错自主导航、多约束自适应制导与控制等一系列关键技术。

5）地面仿真实验验证技术。针对火星探测器和飞行环境特点，研究火星探测器地面仿真实验方法和相应的仿真设备，提高地面仿真实验逼真度和实验结果可信度，从硬件研制、软件开发到系统各个阶段都应采用仿真实验来验收产品出厂是否合格。这是行之有效提高任务成功率的方法。

3 火星探测器的远景展望

前期—21世纪20年代至21世纪末

从现在起到21世纪末期，由地球向火星有近40次发射窗口，每次发射窗口约有20来天，总共约有800天，应该有计划、科学地利用这些宝贵的发射窗口时间。

在这80年里，首先应较全面深入了解火星环境的有关情况，找出火星变成当前状态的基本原因，以及火星水资源等；其次要进行有关载人火星飞行需要关键技术研究与研制和实验；最后开展实验性火星机器人与载人飞行，以及发射往返载人火星飞船。未来火星探测和研究项目的基本内容分三个发展阶段简要论述：

（1）第一阶段大约需要20年

1）增加火星车数量与探测区域；

2）应用轨道器环绕火星，装备高分辨率相机（分辨率为10～15cm），完成火星表面图像并发回地球，开展火星全球环境分析研究；

3）火星车表面巡视探测，最终要取样返回地球，要求在不同地区取样多次返回地球；

4）向火星发射机器人，着陆后开展就位分析并取样送回地球；

5）应用自动控制登陆方式收集火星表面土壤样本，并返回地球。返回时的推进剂要求从火星上的原料中得到。

（2）第二阶段大约需要30年

载人火星任务飞行一次最少也要1.5年时间,要确保生命保障系统连续不断工作,以及保证航天员生活与工作食品与设备所需装载等,这比“阿波罗”载人登月难度要高2～3个数量级，而且这些难度不仅只是资金可以解决,更需要一个时期来开展有关载人火星飞行关键技术研究,例如：

1）研究和设计出连续工作1.5～2年，能容纳3名航天员的空间飞行生命保障系统，而且当中不能从地球得到任何供应；

2）研究和发送一个耐压火星车到火星表面上，要求火星车可承载2人在火星表面工作生活一星期的能力，火星车在火星上至少行驶50km，车内压力为地球正常压力，温度保持10～30℃；

3）研究和设计一套系统，能够利用火星上的原料合成推进剂，提供5t载荷从火星表面发射到火星轨道上，要求合成推进剂有70%以上质量是从火星提供；

4）研究和设计一套火星发电系统，要求在500天中每天平均发电量大于15kW,同时要求任何时候不能少于2kW。

（3）第三阶段为21世纪末之前的30年

经过两个阶段50年的全球火星探测任务的实施，载人火星探测关键技术将能取得重大突破。到21世纪末期完全有条件进行火星载人飞行实验,采用超大发射能力运载火箭直接从地球发射到火星表面,然后返回地面。

1）火星仿真搭载机器人飞行实验，实验设备完全按真正载人飞行配备，包括生命保障系统，仅是用机器人替代航天员，这个实验全面考验系统各设备，特别是生命保障系统，要求机器人出舱取样，并携带小型岩石返回地球；

2）发射火星载人飞船实验，要求两名航天员仅在火星表面停留3～5天，并在当年火星发射窗口返回地面。

后期—22世纪以后的若干世纪

截至目前，学者专家们已经发表许多文章关于火星地球化的探讨，特别是2003年8月在美国召开了“火星移民研究”国际会议，讨论在未来几个世纪中将火星改造成一个绿色星球，使之成为未来人类的第二个家园。从此以后出现诸多关于火星移民的文章与建议。

在这里本文暂不讨论火星地球化的具体内容，仅论述它的可能性和实现性。可能性是存在的，实现性很难说，仍是个未知数。因为事物变化有些是可逆的，有些不可逆。对火星地球化可能在小部分地区实现，以后若能自主继续发展并扩大区域，那么将来在较长时期的火星地球化就有望成功，否则若需要再长期依靠大量人力物力去维护，那么这些地区最终也将消亡。

总之，火星若能地球化也需要若干世纪，这当中可以预见以及可以实现的是机器人开采火星上有价值的资源。

除此以外，研究与发展火星探测器技术重要的还在于科学意义：一方面，深刻了解火星环境恶化原因与过程，对保护地球和进行环保有重大意义与参考价值。另外，可带动许多领域科学与技术的发展，对此，20世纪70年代的“阿波罗”载人登月就是一个实例。