中国登月之后，火星还会远吗？

火星 · 2016-10-31 15:25:34

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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。

不一样的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。月球在稍扁的轨道上绕地球公转，离地球最近时约36万公里，最远时约40万公里。而火星以椭圆轨道绕太阳飞行，它与地球的最近距离约5500万公里，最远距离则超过4亿公里。月球是质量相当于地球质量的1／81，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2/5。月球上没有大气，所以没有风雨变幻。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度。而火星有大气，密度只有地球的大约1%，火星上的平均温度大约为零下55度。巨大沙尘暴是火星大气中独有的现象，最大可达地球12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天7小时43分11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，火星公转一周约为687天。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。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，且遍布遭陨星袭击后因撞击形成的坑坑洼洼。飞往火星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。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要比月球距地球的距离远得多，因此每26个月才有一次距离较近的发射窗口，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。由于距离远，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公里/秒，而火星探测器要进入地火转移轨道的速度必须达到第2宇宙速度的11.2公里/秒才行。因此，在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。此外，火星探测器飞往火星所需的时间比月球探测器飞往月球的的时间要长得多，前者最快需要大约8个月，后者最快只需4～5天就能到达目的地。因此，火星探测器的测控要比月球探测器的测控要复杂的多。主要体现在以下几个方面：首先，难于测控。由于测控通信的信号强度与距离的平方成反比，经过几亿公里的旅程，火星探测器传回地球的信号将变得十分微弱。近年来，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，它们能满足未来火星探测器的测控要求。其次，测控时间延迟比较长。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，这就要求火星探测器有更高的自主性。最后，修正难度大。由于地球火星之间距离，所以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。如果火星探测器的出发速度有1米/秒的误差，那么探测器飞到火星附近时就会有近10万公里的偏差，真是“失之毫厘，谬之千里”。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，所以火星探测器对太阳电池翼的性能要求更高。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1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。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”。其实，在火星上着陆也不容易，被称为“恐怖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。有位美国科学家曾这样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。”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，最终导致探测器撞毁。2003年，欧洲猎兔犬2号着陆器在与火星快车轨道器分离后，还未着陆便失踪了。目前，人类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。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。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，这也是各航天大国一般都先探月、后探火的原因。美国的三代火星车苏联曾在1971年将2辆火星车送到火星表面，但其中一辆坠毁，而另一辆在着陆后仅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。通过对它们的了解，将对我国家未来研制火星车有较大的参考作用。1996年12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，该探测器于在1997年7月4日成功采用降落伞+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公斤，它用6个轮子在火星表面行驶，共在火星上工作了83天。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。其大小与高尔夫球场的小车相似，重174公斤；每台火星车装有9台相机，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6～10倍，约600～1000米；行进速度最高速度5厘米/秒；能爬45度以下的坡，并可以跨过大于轮直径（25厘米）的障碍；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日安全着陆在火星。它是美国第三代火星车，其体积与小汽车相当，质量将近900公斤,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15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，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度而不发生翻车。它可原地转弯360度，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公里。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，值得中国的航天工作者们思考和借鉴。(庞之浩)

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