中國(guó)火星巡視器駛離著陸器示意圖。
新聞背景
8月23日，“中國(guó)火星探測(cè)工程名稱和圖形標(biāo)識(shí)全球征集活動(dòng)”新聞發(fā)布會(huì)在北京召開，并首次公布了中國(guó)第一個(gè)火星探測(cè)器和火星車外觀設(shè)計(jì)構(gòu)型。2020年，我國(guó)首次火星探測(cè)將一次完成“環(huán)繞、著陸、巡視”三個(gè)探測(cè)任務(wù)，這在世界火星探測(cè)史上是前所未有的，將面臨巨大挑戰(zhàn)。此前，只有美國(guó)海盜號(hào)火星探測(cè)器一次實(shí)現(xiàn)了“環(huán)繞、著陸”兩個(gè)探測(cè)目標(biāo)。
目前，我國(guó)已通過嫦娥1號(hào)、2號(hào)完成了對(duì)月球的“環(huán)繞”探測(cè)任務(wù)，通過嫦娥3號(hào)完成了對(duì)月球的“著陸、巡視”探測(cè)任務(wù)，所以有不少航天愛好者會(huì)問，我國(guó)的火星車能否借鑒玉兔號(hào)月球車的研制技術(shù)？探測(cè)月球與探測(cè)火星有什么區(qū)別？要回答這一問題，首先要了解月球和火星各自的概況，然后才能通過對(duì)比分析認(rèn)識(shí)它們的異同。
不一樣的星球
首先應(yīng)該知道的是，雖然月球與火星都是地外星球，但它們有很多不同之處。例如：
月球以1.02千米/秒（3683千米/小時(shí)）的速度，在稍扁的軌道上繞地球公轉(zhuǎn)，離地球時(shí)近時(shí)遠(yuǎn)，最近時(shí)約36萬千米，最遠(yuǎn)時(shí)約40萬千米，平均距離約為384400千米。而火星以橢圓軌道繞太陽飛行，它與地球的最近距離約為5500萬千米，最遠(yuǎn)距離則超過4億千米。大約每隔26個(gè)月就會(huì)發(fā)生一次火星沖日，地球與火星的距離在沖日期間會(huì)達(dá)到極近值，通常只有不足1億千米。
月球是地球唯一的一顆天然衛(wèi)星，其質(zhì)量相當(dāng)于地球質(zhì)量的1／81，所以引力較小，其表面重力只有地球的1/6。而火星比月球大許多，質(zhì)量相當(dāng)于地球質(zhì)量的11%，其表面重力約為月球的2.5倍、地球的4/10。
月球上沒有大氣，所以沒有風(fēng)雨變幻，無法靠對(duì)流的方式來傳遞熱量，這使得月球的白天和夜晚的溫差高達(dá)310℃。月球白天最高溫度可達(dá)130℃；晚上溫度會(huì)下降到-180℃左右，且月球的白天和夜晚各自長(zhǎng)達(dá)13.5天。而火星有大氣，但非常稀薄，密度大約只有地球的1%。火星赤道中午時(shí)可達(dá)20℃，兩極最低溫度-140℃。巨大沙塵暴是火星大氣中獨(dú)有的現(xiàn)象，幾乎在每個(gè)火星年里都要發(fā)生一次，最大可達(dá)地球12級(jí)臺(tái)風(fēng)的幾倍，而且一旦刮起來可持續(xù)3個(gè)多月。
由于月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期一樣，都是一個(gè)恒星月（27日7時(shí)43分11秒），所以在地球上只能看見月球的一面，背向地球的一面永遠(yuǎn)看不見。而火星自轉(zhuǎn)周期為24小時(shí)37分，即火星上的一天幾乎和地球上的一樣長(zhǎng)?；鹦枪D(zhuǎn)一周約為687天，即火星的一年約等于地球的兩年。
在月球上，除懸崖峭壁外，幾乎所有月面都覆蓋著平均厚度為3-5米的月壤。月壤的粒度分布很廣，但絕大部分顆粒在30微米到1毫米之間，摸起來跟面粉一樣細(xì)膩。而火星和地球一樣擁有多樣的地形，有高山、平原和峽谷，基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布，遍布遭隕星襲擊后因撞擊形成的坑坑洼洼。它最引人注目的地形特點(diǎn)是干涸的河床，多達(dá)數(shù)千條，蜿蜒曲折，縱橫交錯(cuò)。它們主要集中在火星的赤道區(qū)域附近。
美國(guó)鳳凰號(hào)火星著陸器利用發(fā)動(dòng)機(jī)反推著陸。
不一樣的路程
從上述對(duì)比可以看到，月球和火星大相徑庭，而這些差異直接影響到月球車和火星車的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、發(fā)射、著陸、巡視和探測(cè)等許多方面。
由于距離遠(yuǎn)，對(duì)發(fā)射火星探測(cè)器的火箭要求也比較高。月球探測(cè)器進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道的速度為10.9千米/秒。而火星探測(cè)器要進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道的速度必須達(dá)到第2宇宙速度才行，即11.2千米/秒。因此，發(fā)射同等質(zhì)量的月球探測(cè)器和火星探測(cè)器時(shí)，后者要求用推力更大的火箭。
火星探測(cè)器飛往火星的時(shí)間和距離，比月球探測(cè)器飛往月球的時(shí)間和距離長(zhǎng)得多，前者最快一般需約7個(gè)月，后者最快只需四五天就能到達(dá)目的地，所以對(duì)火星探測(cè)器的測(cè)控，要比對(duì)月球探測(cè)器的測(cè)控通信復(fù)雜得多。
同樣的一個(gè)信號(hào)，從月球發(fā)射到地球接收和從火星發(fā)射到地球接收要差100萬倍。正因此，測(cè)控火星探測(cè)器對(duì)探測(cè)器本身以及地面測(cè)控站，都提出了很高的要求，既要求火星探測(cè)器裝有高增益天線，也要求地面有天線直徑很大的深空測(cè)控站（天線的直徑和探測(cè)距離成正比，增大天線口徑可以增加探測(cè)距離）。近年，我國(guó)在佳木斯和喀什分別建成了直徑64米和35米S/X雙頻段地面深空測(cè)控站（以前是18米），它們能滿足未來火星探測(cè)器的測(cè)控要求，曾對(duì)距地球約1億千米的嫦娥2號(hào)進(jìn)行了測(cè)控。
由于距離地球遠(yuǎn)，火星探測(cè)器測(cè)控信號(hào)的傳輸延時(shí)很長(zhǎng)，單向就達(dá)15-25分鐘，而月球探測(cè)器測(cè)控信號(hào)的傳輸延時(shí)單向僅為1秒多，對(duì)火星探測(cè)器的遙測(cè)遙控比月球探測(cè)器更為復(fù)雜，要求火星探測(cè)器有更高的自主性。
由于路途漫漫，火星探測(cè)器在飛往火星的途中，要進(jìn)行比月球探測(cè)器次數(shù)更多、更精確的軌道修正才行，這樣才能準(zhǔn)確地飛到火星。如果火星探測(cè)器在地火轉(zhuǎn)移軌道近地點(diǎn)有1米/秒的速度誤差或1千米的高度誤差，飛到火星附近時(shí)都將產(chǎn)生10萬千米的位置誤差。
因?yàn)榛鹦翘綔y(cè)器遠(yuǎn)離太陽，它所受到的太陽輻射強(qiáng)度大大減弱，其太陽電池翼性能必須更高。另外，火星車的太陽電池翼還要能經(jīng)受火星巨大沙塵暴的考驗(yàn)，美國(guó)第1代火星車，就是因?yàn)榛鹦巧硥m暴覆蓋了其太陽電池翼而沒有開展更長(zhǎng)時(shí)間的探測(cè)工作。據(jù)悉，我國(guó)的火星車有4個(gè)太陽能電池板。
現(xiàn)在，我國(guó)火星探測(cè)面臨的難題是要一次完成“環(huán)繞、著陸、巡視”，而不能像“嫦娥工程”或國(guó)外大多數(shù)火星探測(cè)那樣，先發(fā)射軌道器幫助選擇合適的著陸地點(diǎn)，然后再發(fā)射著陸器在選好的著陸點(diǎn)著陸。這就需要事先掌握、分析其它火星探測(cè)器拍攝的大量火星圖片和研究成果，從中選擇幾個(gè)候選著陸地點(diǎn)；另外，還要通過我國(guó)火星環(huán)繞器發(fā)回的圖像最終確定著陸地點(diǎn)。
據(jù)悉，我國(guó)的火星著陸地區(qū)已初步選定在火星北緯5°至39°一帶。之所以選擇低緯度地區(qū)是由于我國(guó)火星車將用太陽能供電，從光照角度考慮，最理想的地方是火星赤道附近，但是火星赤道附近的地形復(fù)雜。另外，由于登陸火星99%以上的減速是靠大氣減速，因此著陸點(diǎn)海拔越低減速時(shí)間越長(zhǎng)，著陸越安全。綜合考慮地形復(fù)雜度、高程、光照條件、溫度等因素，火星比較適合著陸點(diǎn)在北緯5°至39°的區(qū)域。
美國(guó)3代火星車比較。
著陸“恐怖7分鐘”
月球沒有大氣，落月探測(cè)器不能依靠降落傘來減速進(jìn)行軟著陸，而只能靠自己的發(fā)動(dòng)機(jī)反推來減小下降速度，有人稱落月探測(cè)器著陸過程為“黑色700秒”。似乎在月表著陸比在有大氣的火星表面著陸更難。
其實(shí)，在火星上著陸也不容易，要經(jīng)歷“恐怖7分鐘”。由于火星探測(cè)器距離地球太遠(yuǎn)，無法依靠地面遙控，所以有人稱火星探測(cè)器切入火星軌道的難度，相當(dāng)于從巴黎打一個(gè)高爾夫球，正好落到了日本東京的某個(gè)球洞里。在探測(cè)器切入火星軌道后，如果要在火星表面著陸，其過程類似于返回式衛(wèi)星，但技術(shù)難度大得多，因?yàn)檫b測(cè)和遙控信號(hào)十分微弱；另外，當(dāng)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)到火星背面時(shí)，地球無法準(zhǔn)確地確定其軌道參數(shù)，這就給探測(cè)器再入高度的選擇帶來困難，許多探測(cè)器都因此功虧一簣。1999年12月3日，美國(guó)“火星極區(qū)著陸器”在即將登陸火星表面時(shí)，由于軟件錯(cuò)誤導(dǎo)致其起減速作用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)過早關(guān)閉，最終撞毀。2003年，歐洲獵兔犬2號(hào)著陸器在與火星“火星快車”軌道器分離后便失蹤了。
空間探測(cè)器在地外星球軟著陸方式目前主要有三種：一是氣囊彈跳式，二是著陸腿式，三是空中吊車式，每種方案都各有優(yōu)缺點(diǎn)。氣囊式比較簡(jiǎn)單，成本低，但只能滿足重量小的探測(cè)器軟著陸要求；空中吊車式反之；著陸腿式介于它們兩者之間。
月球沒有空氣，蘇聯(lián)月球車1號(hào)、2號(hào),美國(guó)“阿波羅”登月飛船和我國(guó)嫦娥3號(hào)月球探測(cè)器等，都采用緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推+著陸腿的方式?；鹦巧嫌锌諝?，在火星上著陸時(shí)都要使用降落傘來減速，例如，美國(guó)海盜號(hào)、鳳凰號(hào)火星著陸器采用降落傘+緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推+著陸腿的方式；美國(guó)“火星探路者”、“火星漫游者”采用降落傘+氣囊彈跳的方式；美國(guó)“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”采用降落傘+緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推+空中吊車的方式。
據(jù)悉，我國(guó)2020年發(fā)射的火星著陸器-巡視器組合體，將采用降落傘+緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)反推+著陸腿的方式，具體來說就是經(jīng)過氣動(dòng)外形減速、降落傘減速、反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速，展開著陸腿，緩沖著陸到火星表面。其可能的原因是：我國(guó)的巡視器即火星車質(zhì)量較大，為200多千克；另外，我國(guó)有嫦娥3號(hào)在月球著陸的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，其中的懸停、避障技術(shù)居世界領(lǐng)先。
延伸閱讀
各有各的難處
我國(guó)2020年發(fā)射的火星車設(shè)計(jì)壽命3個(gè)火星月（相當(dāng)于地球上的92天），裝有13臺(tái)科學(xué)載荷，其中包括不同分辨率的火星遙感相機(jī)，進(jìn)行火星淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)的淺層雷達(dá)等。為規(guī)避火星極端天氣的影響，將設(shè)置自主休眠和自主喚醒功能。
火星車在地外星球著陸后也不是萬事大吉。因?yàn)榛鹦堑闹亓Ρ仍虑虼笤S多，火星的氣候、表面的環(huán)境、行駛的路況也與月球千差萬別，所以在火星車的設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)等方面，都與月球車有許多不同，其中在某些方面月球車難度可能更大，例如：由于沒有大氣和月球自轉(zhuǎn)慢，月夜有長(zhǎng)達(dá)13.5天的-180℃超低溫，所以落月探測(cè)器的熱控系統(tǒng)比較復(fù)雜。而火星車雖不會(huì)遇到這種惡劣的溫度環(huán)境，但它要經(jīng)受火星沙塵暴以及遠(yuǎn)距離測(cè)控通信、能源供給等方面的考驗(yàn)。
因?yàn)樵虑蜍嚭突鹦擒囆旭偟穆窙r、環(huán)境等不同，它們?cè)谝苿?dòng)分系統(tǒng)（包括輪子）、導(dǎo)航控制分系統(tǒng)、有效載荷分系統(tǒng)等方面也不完全一樣。例如，月球車可采用地面遙控與自主控制相結(jié)合的辦法進(jìn)行巡視探測(cè)，而離地球遙遠(yuǎn)的火星車需采用自主控制為主的辦法進(jìn)行巡視探測(cè)；月球自轉(zhuǎn)慢，且沒有大氣，因此其上的探測(cè)儀器可對(duì)宇宙天體進(jìn)行全波段連續(xù)觀測(cè)，而火星沒有這一優(yōu)勢(shì)；月球車如果落在月球背面，就必須依靠月球中繼衛(wèi)星與地球聯(lián)絡(luò)，而火星車不存在這個(gè)問題。
總之，雖然月球車和火星車有一些相同之處，研制時(shí)可以進(jìn)行一定的相互借鑒，但由于它們所探測(cè)的星球有很大的不同，因此在設(shè)計(jì)時(shí)差別很大，各有各的難處。總的來講，火星車的研制和運(yùn)行更難，這也是一般國(guó)家都是“先探月、后探火”的原因吧。
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