2021年5月15日，在經歷了296天的太空之旅后，天問一號成功降落在火星北半球的烏托邦平原南部。

圖片來源：中國航天

對于火星探測，你是不是還有很多問號？

從歷史到現(xiàn)實，從技術難點到解決方案，在這篇文章里，我們將向你詳細述說人類探索火星的故事。

Part.1

歷史篇

為什么要探測火星

仰望蒼穹，漫漫宇宙中，我們是否孤獨？是否在另一個星球上，也存在著和我們相似的生物和文明？

眾多星球中，火星是備受關注的一顆。它是太陽系中從內往外第四顆行星，地球的鄰居，與地球非常相似，直徑約為地球的一半，質量約為地球的11%，火星日的長度與地球相當，而火星年的長度約為地球年的2倍。不少專家認為，火星曾經可能具有和地球相似的環(huán)境。因此開展火星探測和研究，不僅有助于探究火星，也有助于借此探究地球的過去和未來，為人類尋找可能的未來家園。

太陽系（圖片來源：veer圖庫）

人類對火星的認識

火星，看起來偏紅，熒光像火；它看起來的亮度經常發(fā)生變化；而且火星在天空中運動時，甚至會逆行，令人難以捉摸，古書上稱之為“熒惑星”。

望遠鏡發(fā)明后，第一個使用望遠鏡觀測星空的伽利略看到了火星，像一個小紅點。隨著望遠鏡的發(fā)展，人們可以分辨火星的一些細節(jié)特征。1877年，意大利天文學家斯基亞帕雷利發(fā)現(xiàn)火星地表從暗區(qū)延伸出許多線條，他稱之為“水道”，后來被翻譯成英文中的“運河”。1894年，一位富有的波士頓商人洛厄爾對“火星運河”很癡迷，他使用60厘米口徑的望遠鏡探索火星，認為自己在火星上也看到了運河，并深信不疑。1908年，他出版了一本書《生命的棲居地——火星》。他在書中提出，在遙遠的過去，火星上曾出現(xiàn)智慧生命，由此創(chuàng)建了一個科幻小說寫作的新流派。

1938年的萬圣節(jié)，一位美國喜劇演員奧爾森?威爾斯利用電臺，將科幻小說中的一些情節(jié)，以緊急通告的方式發(fā)布——火星人已經攻擊美國，在新澤西就有目擊者。這可嚇壞了幾百萬的美國人。

直到20世紀50年代，人們對火星人的恐懼才得以消停。人們對火星有了更多的科學認識，這些認識表明火星不可能存在地球生命，因為那里太冷太干燥。但是，火星和地球之間的相似之處如此有趣，很難排除火星上有其它形式生命存在的可能性。

那時，科學家和工程師們想要知道火星上是否有生命或者人類是否可以抵達火星，但技術上存在障礙。1957年，蘇聯(lián)發(fā)射成功首顆人造衛(wèi)星，震驚了全世界，打開了太空探索的前沿。

借由火星探測器，我們知道了，火星上擁有太陽系最大最長的峽谷之一——水手峽谷，橫跨大半個火星，長約4000千米，深達7千米?；鹦菗碛刑栂底罡叩纳椒濉獖W林帕斯火山，高度超過2萬米，是地球上最高山峰珠穆朗瑪峰的海拔高度的3倍多；我們對火星地表成分也有更多了解，找到了火星上水的痕跡。

Part.2

技術篇

如何去往火星？

如何去往火星呢？先讓我們回顧下如何離開地球。這件事就要從1665年的倫敦大瘟疫說起了：那時劍橋三一學院的牛頓在鄉(xiāng)下自我隔離。傳說中有一天牛頓在蘋果樹下思考時被一顆蘋果砸中了腦袋，接著聯(lián)想到月亮從沒掉下來過，由此發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。筆者一直很好奇這個傳言的細節(jié)，而且高度懷疑牛頓被砸的那一刻可能只想著要把蘋果有多遠扔多遠，有圖為證！

牛頓大炮（圖片來源：《自然哲學中的數(shù)學原理》）

我們都知道扔蘋果的時候，用力越大，出手速度越快，蘋果就扔得越遠，但它早晚會掉到地上。那我們扔得再用力點，速度再快點呢？顯然，它可以被扔得很遠。理想假設下，只要出發(fā)速度夠快，從北極扔到南極也未必不可能！如果我們再用力點呢？蘋果就可以飛躍南極，甚至回到北極，回到我們出手的那個位置，接著再來“億”遍。于是我們知道了，當蘋果被扔出的速度超過某個速度時，它不再掉回地球，而環(huán)繞地球作圓周運動。這個速度被科學家們稱之為“第一宇宙速度”（環(huán)繞速度），在地球上是7.9 千米/秒。月球繞著地球做高速圓周運動，這正是月亮不會掉下來的主要原因。

要離開地球的話，第一宇宙速度還不夠，我們需要再加速，加速到第二宇宙速度（逃逸速度）約11.2 千米/秒。這時候才可以離開地球，那么需要付出的代價是什么呢？以阿波羅計劃為例，運載火箭土星五號的全重是3000噸，僅能運送45~48噸的飛船到地月轉移軌道，值得一提的是它在燃燒第一級時，每秒鐘就燒掉13噸燃料，足夠一輛家用小汽車繞地球四圈。

離開地球之后就可以踏上前往火星的道路了嗎？還差點。

事實證明有個好的路線規(guī)劃是能省很多燃料。1925年，沃爾特·霍曼博士就提出了利用太陽引力的霍曼轉移軌道，這條線路最省能源。

飛行器從地球到火星沿霍曼軌道運行示意圖（圖片來源：作者提供）

他的思路是在地球軌道和火星軌道之間找到一條環(huán)繞太陽的橢圓路線。這個橢圓與地球軌道外切，同時與火星軌道內切。以出發(fā)時的地球為近日點，相對于太陽的速度最大，達到32.7千米/秒，以到達時的火星為遠日點，相對于太陽的速度最小，只有21.5千米/秒。全過程只需要做兩次加速，一次離開地球軌道，進入霍曼轉移軌道，另一次離開霍曼轉移軌道，進入火星軌道，需要從21.5千米/秒，加速到火星的公轉速度24.5千米/秒。

不用做太多加速看起來很省燃料，但也真的很花時間。由于各探測窗口不同，各探測器使用的火箭性能和飛行方案不同，最終探測器的飛行距離達4到7億千米，要飛行6到11個月不等。實際情況也很復雜，中間需要做很多的計算，只有大型專業(yè)的航天機構才能完成。

對此，《下一站火星》中有這樣一個比喻：

“這有點類似讓一個人在滑翔機上（運動速度較快的地球）扔（發(fā)射）一粒小石子（探測器），在提前很遠的地方（發(fā)射窗口），中間有風和空氣影響（恒星和行星等各種引力源）， 準確穿過地面一輛左右前后運動（火星圍繞太陽運動軌道傾角不同，有大偏心率）的小汽車（運動速度較慢的火星）天窗（引力影響范圍，希爾球）后，再掉到司機的水杯里（環(huán)繞火星軌道）。即便不考慮著陸，探測火星的難度已經可想而知?！?/p>

飛行的時間長是一個方面，另一方面等待離開地球進入霍曼轉移軌道的時機，也就是發(fā)射窗口，也很漫長。按霍曼的要求，這一時間窗口約每26個月才會出現(xiàn)一次，如果錯過了就又是一次漫長的等待。

Part.3

難點篇

火星探測很難，為什么？

火星探測任務一般可分為環(huán)繞、著陸和巡視三類。環(huán)繞任務，即發(fā)射環(huán)繞火星運行的探測器，例如歐空局火星快車號、NASA的火星勘察軌道器；著陸任務則是使探測器著陸到火星上去，例如美國宇航局的鳳凰號、洞察號探測器；巡視任務即能夠在火星上進行巡視勘探的火星車，例如美國宇航局的旅居者號、勇氣號、機遇號和好奇號火星車。

1960年，前蘇聯(lián)向火星發(fā)射了火星1A號探測器，它是人類探測火星的開端。1964年，美國成功發(fā)射水手4號火星探測器，它是歷史上首個成功到達火星的探測器。從1960年的火星1A 號到2018年“洞察號”，人類共進行了40多次火星探測任務，包括了環(huán)繞、著陸、巡視任務，其中成功的任務僅占到約一半。那么，火星探測為什么這么難呢？

難點1——探測器發(fā)射窗口少

月球探測每年都有窗口期；火星距離地球非常遙遠，每隔約26個月才有一次“火星探測窗口”，因此一旦錯過窗口期，就只能再等兩年。

難點2——測控和數(shù)傳面臨的困難大

放風箏的時候，風箏飛得再高，還有一根線在手中，那么，在飛向火星的漫漫長路上，探測器和地面之間也有“一根線”嗎？

有的，這就是測控和數(shù)傳。

測控和數(shù)傳指的是地面測控站與探測器保持通訊，即利用地面測控系統(tǒng)對探測器進行定軌定位，利用地面臺站向探測器發(fā)送遙控指令，接收探測器的科學探測數(shù)據(jù)。

深空測控通信的難點可以概括為信號空間衰減大、信號傳輸時延長、信號傳播環(huán)境復雜以及高精度導航困難[2]。

難點2.1 信號空間衰減大，接收信號弱

深空探測器的測控通信需要面臨距離遙遠帶來的一系列問題，探測器測控通信通常采用無線電信號進行信息傳輸，而無線電波以光速向外輻射，強度按照傳播距離的平方衰減，故距離信號的發(fā)射源越遠，強度越低[2]。

火星探測器和地球之間的距離非常遙遠，最遠達到4億千米，是地月距離的1000倍。探測器發(fā)射的信號，通過遙遠的距離傳輸?shù)降厍蛏系臅r候，信號強度已經嚴重衰減，通常采用更大口徑的天線來接受微弱的信號。

難點2.2 信號傳輸時延長

月球探測的單程通信為1.3秒左右，基本上可以達到實時通信。而火星探測的最遠單程通信時間為22分鐘，地面人員不能及時對探測器進行控制，因此對探測器的自主控制提出了更高的要求。尤其是在降落火星時，僅僅7分鐘之后探測器就將從環(huán)繞軌道降落到火星表面，測控人員根本來不及對探測的運行狀態(tài)進行判斷從而進行修正，只能依靠探測器自身的控制判斷來進行著陸。

難點2.3 任務環(huán)境復雜

火星探測器距離遙遠，無線電信號既要穿過地球的對流層和電離層，還要穿過火星的大氣層，以及變化復雜的太陽等離子區(qū)，信號傳播環(huán)境十分復雜。

難點2.4 高精度導航困難

火星探測器的軌道復雜、距離遙遠、觀測時間段不能連續(xù)覆蓋，造成了探測器導航困難。探測器的巡航段、近火捕獲以及火星著陸需要超高精度的導航技術，如果導航精度不高，探測器將有可能失聯(lián)，或是在近火段與火星擦肩而過、進入火星大氣燒毀或者直接撞到火星上去。

難點3——抵達火星難、著陸火星難

由于人類目前的運載火箭能力有限，不能運送太大的探測器到火星，所以探測火星的目標之一就是消耗最少的燃料，盡可能將更大質量的探測器送往火星。借助“霍曼轉移軌道”，就可以使探測器從地球飛往火星消耗最少的能量。

由于火星距離遙遠，在探測器的數(shù)月飛行過程中，會受到太陽系內多個天體的擾動，還有太陽風、空間輻射等復雜的影響，需要考慮的因素更多?；鹦蔷嚯x地球最遠為4億千米，需要更高的軌道設計要求，軌道偏差一點，到了4億千米都會被放大很多。

探測器抵達火星附近之后，需要被火星引力捕獲才能環(huán)繞火星運行。而火星質量小、引力影響范圍小，所以探測器在進行近火制動之后需要準確進入環(huán)火軌道，稍有偏差就有可能與火星擦肩而過或是在火星大氣中焚毀。

登陸火星是最難的。目前，美國、俄羅斯、歐空局進行過火星著陸，但是只有美國和中國完全成功過。即使是登陸月球，目前也只有美國、俄羅斯、中國成功過。

火星探測器進入大氣層、下降和著陸段是火星探測中難度最大、風險最高的飛行階段，需要探測器在短時間內完成高度氣動減速、降落傘展開等機動動作。這個階段的主要難點有：氣動飛行減速難、火星表面避障難以及飛行驗證困難[8]。

以近些年來的火星登陸任務為例，歐洲空間局（ESA）和俄羅斯聯(lián)邦太空總署（Roscosmos）合作的斯基亞帕雷利EDM登陸器，計劃于2016年10月19日登陸火星，但是由于登陸器與火星高速碰撞，導致任務失敗。又比如，作為歐洲航天局2003年火星快車號任務的一部分，小獵犬2號著陸器在從火星快車號上釋放出來后的第六天，進入火星大氣層時失去所有聯(lián)系。后來經過確認，著陸器成功登陸火星表面，但是因故未能完成部署開始運作。

火星探測器著陸地點（圖片來源：NASA）

火星探測器登陸對于減速要求更高?；鹦翘綔y器的信號從火星傳到地球需要幾十分鐘，而探測器從運行軌道著陸到火星只需要7分鐘，因此地面人員無法干預探測器的著陸過程，完全依靠探測器自身來控制選擇。

探測器的著陸過程對探測器防熱措施，降落傘、氣囊或是緩沖發(fā)動機能否按程序工作，都至關重要。任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，都將導致著陸失敗。因此，必須精確控制探測器的各個程序，需要經歷所謂的“恐怖7分鐘”，才能成功軟著陸。

目前探測器登陸火星的方式主要有三種：分別是腿式緩沖、氣囊緩沖和空中吊車。美國的海盜號和鳳凰號以及洞察號探測器均采用腿式緩沖的方式。勇氣號和機遇號則是采用氣囊緩沖的方式，氣囊著陸適用于小型火星車，大一點的火星車就需要使用反沖發(fā)動機進行著陸。好奇號火星探測器由于質量非常大，只能采用最先進的空中吊車方式進行著陸。

好奇號火星車空中吊車（圖片來源：NASA）

Part.4

技術篇

VLBI測軌分系統(tǒng)

火星探測器的跟蹤和測定軌，目前主要采用基于地面無線電測量的測距、測速和甚長基線干涉（VLBI）測角三種手段[3]。

VLBI對探測器在垂直于視線方向上的位置變化有很高靈敏度,與視線方向具有高靈敏度的測距、測速形成互補，是火星探測器測定軌的必要手段，特別是在地火轉移段、近火制動段等測定軌難度較大的測控弧段的優(yōu)勢更為明顯[1]。

探測器進入近火制動段時，地火距離一般達到數(shù)億千米，與月球探測器被捕獲時的38萬千米相比，距離增加了數(shù)倍。比如，VLBI時延測量誤差1納秒（0.3米），在3000千米的基線長度上，對數(shù)億千米遠的火星探測器在垂直于視線方向上的單點測軌誤差約為幾十千米，遠大于視線方向的測距誤差。VLBI時延測量精度的提高是火星探測器測定軌精度提高的關鍵環(huán)節(jié)。

為了提高VLBI時延測量精度，火星探測時一般差分單程定位（Delta Differential One-way Ranging; Delta-DOR）技術進行測控。測距、測速技術的目的是測量目標的視向距離和速度，而Delta-DOR技術則是測量目標的橫向位置。1998年 “火星氣候軌道器”的失敗清楚的表明了Delta-DOR技術對于深空探測器跟蹤測軌的重要性。由于未使用VLBI技術，未能及時發(fā)現(xiàn)切平面誤差增大的致命缺陷，最終任務失敗。因此如果測控技術不是很成熟的話，探測火星的風險很大。

在“嫦娥三號”等任務中，利用由上海站、北京站、昆明站和烏魯木齊站以及位于上海天文臺的VLBI數(shù)據(jù)處理中心組成的VLBI測軌分系統(tǒng)，和差分單程定位技術，將VLBI時延測量誤差降至1納秒以下。結合測速和測距數(shù)據(jù)，著陸器月面測定位和環(huán)月段的測定軌誤差約50米，地月轉移段和近月制動段的測定軌誤差參數(shù)100米[1]。

差分單程定位型技術適合于單個探測器測定軌，而同波束VLBI技術則適用于多個探測器的精密測定軌。所謂同波束干涉測量技術（Same Beam Interferometry, SBI），即用射電望遠鏡的主波束同時接收兩個（或多個）探測器發(fā)送的信標，得到兩個（或多個）探測器信標的相關相位，并在探測器間進行差分，由于信號傳播路徑基本相同，因此通過差分可以有效削弱信號傳播路徑上的大氣、電離層以及設備等引起的誤差，從而得到高精度的探測器相對定軌定位結果[3]。

Part.5

“天問一號”篇

火星探測項目是中國繼載人航天工程、嫦娥工程之后又一個重大空間探索項目，也是我國首次開展的地外行星空間環(huán)境探測活動。

2016年1月，我國首次火星探測任務正式得到國家批準立項。

2020年7月，我國進行首次自主火星探測任務“天問一號”。

“天問一號”由我國目前最大運力的長征五號火箭進行發(fā)射。“天問一號”火星探測器將一次性實現(xiàn)環(huán)繞、著陸和巡視任務，分別由環(huán)繞器、著陸巡視器來完成。環(huán)繞器運行在環(huán)繞火星的軌道上，既可以自主進行全球性、綜合性的環(huán)繞探測任務，也可以進行中繼通信；著陸機構負責攜帶巡視器安全著陸到火星上去，巡視器負責在火星表面進行區(qū)域巡視探測。

長征五號遙三運載火箭（圖片來源：中國航天科技集團）

寫在最后

北京時間7月20日，中國火星探測任務“天問一號”在海南文昌發(fā)射基地發(fā)射升空，正式拉開我國行星探測的大幕。

2021年5月15日，“天問一號”成功著陸火星，中國成為繼美國之外第二個掌握火星著陸巡視技術的國家，同時也是世界上首個探索火星便完成軟著陸任務的國家。

火星探測器飛行效果圖（圖片來源：國家航天局）

“天問一號”火星探測任務，名字取自屈原長詩《天問》，任重道遠，意義重大，雖難度極大，但中華民族充滿信心，也做好了充足的科技準備，它承載著中華民族乃至全世界對真理追求的堅韌和執(zhí)著。

參考文獻:

[1]劉慶會. 火星探測VLBI測定軌技術. 2018.深空探測學報. 5, 5.

[2]吳偉仁. 深空測控通信系統(tǒng)工程與技術.

[3]劉慶會. 同波束VLBI技術在深空探測器測定軌中的應用. 遙測遙控.

出品：科普中國

制作：中國科學院上海天文臺（SHAO）天之文科傳團隊（吳徳 左文文 狄逸煥）

監(jiān)制：中國科學院計算機網絡信息中心

（本文中標明來源的圖片已獲得授權）

本文來源于”中國科普博覽“公眾號（kepubolan），轉載請注明公眾號出處


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