【科普論壇】科普：為你解釋關於火星探測的所有疑問 （三）

編者按：

我國首次火星探測任務天問一號探測器成功著陸火星， 邁出了我國星際探測征程的重要一步，實現了從地月系到行星際的跨越。探測火星的意義何在？如何探測火星？澳門導報特選刊【科普中國】出品的相關文章為讀者解惑。

出品：科普中國

製作：中國科學院上海天文臺（SHAO）天之文科傳團隊

監製：中國科學院電腦網絡信息中心

（續上期 三、難點篇：火星探測很難，為什麼？之難點1）

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採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。探測器發射的信號，通過遙遠的距離傳輸到地球上的時候，信號強度已經嚴重衰減，通常採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，基本上可以達到即時通信。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分鐘之後探測器就將從環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 任務環境複雜

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，以及變化複雜的太陽等離子區，信號傳播環境十分複雜。

難點2.4 高精度導航困難

火星探測器的軌道複雜、距離遙遠、觀測時間段不能連續覆蓋，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，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

由於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，盡可能將更大品質的探測器送往火星。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。

由於火星距離遙遠，在探測器的數月飛行過程中，會受到太陽系內多個天體的擾動，還有太陽風、空間輻射等複雜的影響，需要考慮的因素更多。火星距離地球最遠為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後，需要被火星引力捕獲才能環繞火星運行。而火星品質小、引力影響範圍小，所以探測器在進行近火制動之後需要準確進入環火軌道，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）和俄羅斯聯邦太空總署（Roscosmos）合作的斯基亞帕雷利EDM登陸器，計畫於2016年10月19日登陸火星，但是由於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後的第六天，進入火星大氣層時失去所有聯繫。後來經過確認，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）

火星探測器登陸對於減速要求更高。火星探測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、氣囊或是緩衝發動機能否按程式工作，都至關重要。任何一個環節出現偏差，都將導致著陸失敗。因此，必須精確控制探測器的各個程式，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：分別是腿式緩衝、氣囊緩衝和空中吊車。美國的海盜號和鳳凰號以及洞察號探測器均採用腿式緩衝的方式。勇氣號和機遇號則是採用氣囊緩衝的方式，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動機進行著陸。好奇號火星探測器由於品質非常大，只能採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）

（未完待續 歡迎關注下期 四、技術篇：VLBI測軌分系統  五、“天問一號”篇）

（掃描二維碼進入官網閱讀完整內容）