□本報記者 劉榮榮
自從人類成功踏上月球，火星，便成為我們的下一個“征戰(zhàn)之地”。
這顆紅色星球上是否存在生命？未來能否將火星改造成人類宜居住的星球？一個個待解之謎，推動著人類探索火星的腳步不斷加快。
近日，中國宣布正式啟動火星探測計劃，將在2020年發(fā)射火星探測衛(wèi)星，并爭取一步實現(xiàn)環(huán)繞火星、著陸和在火星表面巡視探測的任務(wù)。
1彎道超車——一步實現(xiàn)“繞、落、巡”
火星，是太陽系中與地球環(huán)境最相似的星球，也被認為是最有可能存在地外生命的星球。了解火星的土壤、環(huán)境、大氣以及是否有水的存在，對于研究生命起源，研究人類自身和地球所處的環(huán)境都有重要意義。
正因如此，火星早已是各國星際探測計劃中的必爭之地。
“美國從上世紀六七十年代就開始發(fā)射火星探測器，2012年8月，美國宇航局‘好奇號’探測器登陸火星，為地球帶來了海量火星照片，火星的真實‘面龐’終于清晰地展現(xiàn)在人類面前?！焙颖睅煼洞髮W物理科學與信息工程學院教授李冀介紹說，去年9月，美國航天局的科學家再次發(fā)表震驚世界的聲明，指出他們在火星上找到了流動的液態(tài)水。俄羅斯也不甘落后，不但第一個實現(xiàn)了火星軟著陸，日前他們又公布了動物火星計劃，預計2017年將送猴子前往火星。
不過，想要去趟火星，也并非那么容易。
日本的火星探測器“希望”號曾于1998年發(fā)射，但未能到達火星軌道。歐洲空間局的探測火星計劃也波折重重，本世紀初就開始啟動的計劃拖了10多年以后才實質(zhì)性啟動。2011年11月，中國首顆火星探測器“螢火一號”也曾搭乘俄運載火箭發(fā)射升空，遺憾的是，飛行過程中出現(xiàn)意外，可以說“創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂”。
那么，此次我國啟動火星探測計劃，為何選在2020年呢？
據(jù)了解，從地球出發(fā)的火星探測器每隔26個月才有一次發(fā)射機會，因為每隔26個月，太陽、地球、火星就會排列成一條直線，地球居中，稱為火星沖日，此時地球和火星距離最近，也是發(fā)射火星探測器的好機會，這樣的發(fā)射機會被稱為發(fā)射窗口。
“今年剛剛過去的5月22日即是火星沖日，按26個月的火星沖日周期，2020年9月將迎來的另一個發(fā)射窗口在時間上可滿足我國本次探測需要。但即便是在發(fā)射窗口出發(fā)，地球和火星之間的距離仍有約5500萬公里，探測器仍需飛行9個多月才能到達火星?！崩罴秸f。
而令外界最為驚嘆的是，我國的火星探測計劃中提出，將一步實現(xiàn)環(huán)繞火星、著陸和在火星表面巡視探測的任務(wù)。
“現(xiàn)在世界上在火星上著陸巡視成功的只有美國，但從來沒有哪個國家一次任務(wù)就同時實現(xiàn)環(huán)繞和著陸巡視，我們要一步到位，應(yīng)該說這是一個雄心勃勃的計劃。”李冀這樣評價。
李冀分析說，國外在火星著陸任務(wù)之前都有很好的環(huán)繞任務(wù)保障，有環(huán)繞衛(wèi)星在火星附近，可以對著陸過程以及著陸后的數(shù)據(jù)通信提供及時支持。而中國的火星著陸巡視器是環(huán)繞火星不久后，就要與環(huán)繞器分離并降落，這對于著陸后的火星車自主能力提出了更高要求。此外，這樣的任務(wù)在軌道設(shè)計上更加復雜，要兼顧著陸和環(huán)繞軌道的雙重要求。
還有業(yè)內(nèi)人士指出，中國的火星探測計劃屬于創(chuàng)新之舉，因為同一個現(xiàn)象在空間和表面會有不同的表現(xiàn)，“繞”“落”同時進行，可以對火星表面和空間進行聯(lián)合探索，更有利于揭示未知現(xiàn)象的本質(zhì)。
2關(guān)鍵環(huán)節(jié)——如何克服“黑色7分鐘”
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，自20世紀60年代以來，國際上已實施的42次火星探測任務(wù)，成功率僅為52%。
而我國要實現(xiàn)“一步到位”，底氣來自哪？
中國航天科技集團五院火星探測器總設(shè)計師孫澤洲在接受媒體采訪時指出，我國之前的探月工程已為火星探測打下了很好的基礎(chǔ)，如果沒有探月工程，希望火星探測一次就著陸并讓火星車走起來，是不現(xiàn)實的。但是，火星探測僅有一半的環(huán)節(jié)與探月具有相似性。
“與探月工程相比，探測器飛往火星需要面臨更多的問題，其中能量和著陸是科學家需要解決的兩個最重要的問題。”李冀指出，飛行器長期工作，距離太陽越遠，太陽光越弱，飛到火星的話太陽能電池的效率會很低，而靠其他星球引力提供能量又會耗費更多的時間。此外，火星車或著陸器，要穿過火星大氣層才能“踏”上火星表面，這期間需要經(jīng)歷驚心動魄的“黑色7分鐘”。
為何這么說？先來看看著陸過程。
探測器接近火星后，首先是要讓它被火星引力捕獲，環(huán)繞火星飛行。探測器在環(huán)繞軌道上做一些軌道調(diào)整，同時對儀器進行檢測，還將對火星的形貌開展探測。然后在合適時機，與環(huán)繞器分離的著陸巡視器將進入火星大氣，著陸到火星表面并釋放火星車，開展巡視探測。與此同時，環(huán)繞器繼續(xù)在軌道上運行，它一方面進行科學探測，另一方面為火星車提供對地面的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。
“探測器從131千米的高空進入火星大氣，時速高達21000公里（約每秒5.9公里），要在短短7分鐘時間內(nèi)，讓巡視器的速度降至零，并實現(xiàn)著陸，這是所有火星探測任務(wù)中難度最大、失敗概率最高的環(huán)節(jié)。”李冀分析說，火星大氣和地球大氣有很大差別，火星大氣稀薄，只有不到地球大氣密度的1%，火星大氣成分95%以上是二氧化碳，而且火星大氣非常不穩(wěn)定，常發(fā)生風暴等，這些都大大增加了探測器著陸難度。
此外，由于地球與火星距離遙遠，平均距離達2億多公里，光傳播過去至少需要11分鐘，這意味著探測器從火星發(fā)回的信息都是11分鐘之前的，指令發(fā)出后再需要至少8分鐘傳輸給探測器，來回就需要至少22分鐘，遠遠超出探測器著陸所需的“7分鐘”。因此，這7分鐘探測器無法由地球指揮中心實時控制，而要由探測器自帶的智能系統(tǒng)獨立完成著陸。
“難度還不止這些，因為不同于路面設(shè)備的測試，深空探測事先無法進行實地測試，只能盡可能模擬著陸過程，而火星表面環(huán)境到底是什么樣，沒有人去過?；鹦翘綔y器出發(fā)前，科學家將通過研究天文觀測和之前火星觀測傳回的照片，分析確定大致的一片降落區(qū)域。但火星表面氣候變化多端，星表形態(tài)多種多樣，因此，必須讓探測器有足夠的智能性，成為一個具有自主識別、自主導航、自主控制能力的智能機器人，才能保證探測器的精確著陸?！崩罴秸f。
那么，火星那么大，我國的火星探測器最終將落到哪里呢？
“著陸區(qū)域應(yīng)該是在設(shè)計初期就確定，因為著陸區(qū)的選擇與進入、減速和著陸過程，以及能源、軌道的設(shè)計都是相關(guān)的?！睂O澤洲說，當然具體落點要根據(jù)實際在軌、入軌精度等情況最后確定，綜合地形復雜度、高程、光照條件、溫度等因素考慮，火星比較適合著陸的地點在北緯5度至30度的區(qū)域。
3暢想未來——讓火星成為人類“第二家園”
成功到達火星后，我國的火星探測器將執(zhí)行哪些任務(wù)？
有關(guān)人士透露說，我國火星探測的科學目標還沒有最終確定，但基本圍繞以下幾個方面：通過光學遙感探測火星形貌，看看火星表面長什么樣；通過光譜等探測火星土壤元素、礦物成分及巖石類型；探測火星空間環(huán)境，包括火星大氣；探測火星土壤結(jié)構(gòu)及水冰，火星表面甚至地下淺層是否有水。
“探測火星，標志著中國正式進軍深空探測。與通訊、導航、遙感等各種人造地球衛(wèi)星相比，深空探測的實用價值在短期內(nèi)很難顯現(xiàn)，其意義更多在于科學前沿的探索。”李冀表示。
當然，人類探索火星的目的肯定不僅僅是為了認識它。
據(jù)了解，目前已有科學家開始探討將火星改造成“藍色行星”的可能性，并提出了改造愿景、科學步驟和實施方案。其中，很多研究行星科學和深空探測的科學家堅信，通過人類的智慧和努力，火星完全能被改造成生機盎然的“小地球”，展現(xiàn)“青山綠水”，成為人類的“第二家園”。
讓火星成為人類的“第二家園”，不論未來能否實現(xiàn)，但近年來人類探索的腳步確實在不斷加快。
就在最近，美國太空探索技術(shù)公司SpaceX宣布，最快將于2018年向火星發(fā)射無人飛船。這項任務(wù)包括將“赤龍”飛船發(fā)送到火星，取回美國宇航局火星車收集的樣本，然后返回地球。
SpaceX首席執(zhí)行官馬斯克補充說，“‘赤龍’號任務(wù)是首次試飛，但是不推薦輸送宇航員同行，畢竟航天艙內(nèi)部容量只有一輛SUV的大小?！?/p>
“雖然最早登陸火星的飛船還不準備載人，但是，‘赤龍’飛船是專門為載人或載物而設(shè)計的。如果它成功登陸火星，那無疑將人類送往火星也將指日可待?！崩罴秸f。
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