火星是地球的鄰居，但這個(gè)鄰居并不算“近鄰”。數(shù)據(jù)對(duì)比而言，地球赤道一周4萬千米，光速僅需0.13秒便可環(huán)游。但地球與火星的距離在5500萬-4億千米之間變化，單程都需3-22分鐘之久。更何況地球與火星每隔780天左右才有一次會(huì)合機(jī)會(huì)，會(huì)合前幾個(gè)月的時(shí)間窗口適合開展火星探測(cè)，單程6-11個(gè)月的探測(cè)時(shí)間。茫茫深空中，失之毫厘，謬以千里，探測(cè)器的探索之旅著實(shí)不易。人類火星探測(cè)進(jìn)行了60年，所有探測(cè)成功率僅一半左右，難度可想而知。
根據(jù)技術(shù)發(fā)展過程和任務(wù)目標(biāo)需求
人類目前探測(cè)火星的任務(wù)主要分為四種
分別是
僅驚鴻一瞥的飛掠任務(wù)
可登高望遠(yuǎn)的環(huán)繞任務(wù)
能觀天測(cè)地的降落任務(wù)
可自由移動(dòng)的巡視任務(wù)
未來還將有第五種：采樣返回任務(wù)
目前四種火星探測(cè)任務(wù)示意圖
01
驚鴻一瞥：飛掠任務(wù)
顧名思義，這種任務(wù)只是在火星附近飛速掠過，趁著極短的時(shí)間抓住一切可能記錄有用數(shù)據(jù)，隨后滑入深空。相比動(dòng)輒數(shù)月的深空旅行時(shí)間，觀測(cè)火星的真正有效時(shí)間僅在1天左右。
對(duì)于以火星探測(cè)為最主要目標(biāo)的昂貴任務(wù)而言，這是非常不理想的設(shè)計(jì)。然而，人類在60年代開啟火星探測(cè)時(shí)，由于火箭運(yùn)輸能力不足、探測(cè)器自身推進(jìn)系統(tǒng)能力有限、軌道控制和確定精度不足等原因，很難讓探測(cè)器制動(dòng)減速留在環(huán)繞火星軌道，采取飛掠方式實(shí)屬無奈之舉。那時(shí)，能實(shí)現(xiàn)工程驗(yàn)證目標(biāo)、得以一瞥火星真容就成為飛掠任務(wù)的核心，甚至連這個(gè)目標(biāo)都很難：1960-1964年，蘇美開啟的火星探測(cè)大幕開局就是6次慘烈的失敗。
水手四號(hào)和距離火星最近時(shí)拍到的火星細(xì)節(jié)??NASA
失敗并不可懼，一切總會(huì)迎來曙光。1964年11月28日發(fā)射的水手四號(hào)終于成功，它于1965年7月15日最近距離火星約1萬千米飛掠而過。在短暫觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器努力控制住鏡頭和各種科學(xué)儀器對(duì)準(zhǔn)火星，記錄了22張火星圖片和磁場(chǎng)、溫度、大氣等研究數(shù)據(jù)，隨后滑入深空，與火星永遠(yuǎn)再見。
隨著技術(shù)逐漸成熟，以飛掠為目標(biāo)的火星探測(cè)任務(wù)逐漸消失，但也有一些探測(cè)地球外側(cè)星體的任務(wù)“兼職”飛掠探測(cè)火星。例如探測(cè)彗星的羅塞塔號(hào)、探測(cè)小行星帶的黎明號(hào)都曾飛掠火星，2018年發(fā)射的洞察號(hào)著陸器也帶了兩顆微小衛(wèi)星飛掠火星。
02
登高望遠(yuǎn)：環(huán)繞任務(wù)
隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，探測(cè)器靠近火星后已經(jīng)可以依靠自身動(dòng)力制動(dòng)進(jìn)入環(huán)繞火星的大橢圓軌道。如果推進(jìn)能力更強(qiáng)、或者借助火星頂部稀薄大氣緩慢“大氣剎車”，甚至可以直接變軌成圓形軌道，保持穩(wěn)定的軌道高度更有效觀測(cè)火星。
由于環(huán)繞器（軌道器）可長(zhǎng)期環(huán)繞火星，登高望遠(yuǎn)，在此過程中采集海量數(shù)據(jù)，全方位研究火星的磁場(chǎng)、大氣層、重力場(chǎng)、水、淺層土壤等方面，極大豐富了人類對(duì)火星的認(rèn)知。此外，環(huán)繞器還能起到至關(guān)重要的信號(hào)中繼作用，服務(wù)于降落在火星表面的著陸器和巡視器。其中一個(gè)著名的任務(wù)是2001年發(fā)射的奧德賽號(hào)，它已經(jīng)工作了19年，且這個(gè)數(shù)據(jù)還在不斷延長(zhǎng)！
火星奧德賽號(hào)??NASA
03
觀天測(cè)地：降落任務(wù)
降落（軟著陸）任務(wù)的最大優(yōu)勢(shì)是能仔細(xì)研究火星表面的各種細(xì)節(jié)，尤其是對(duì)水、氣象、底部大氣、土壤成分、地表地貌、潛在有機(jī)物和深層土壤的研究。但需要說明的是，由于重量和能量限制，著陸器自身不可能攜帶巨大的天線與地球直接聯(lián)絡(luò)，它僅能將所有信息發(fā)給火星上空的環(huán)繞器，讓后者代為轉(zhuǎn)發(fā)。著名任務(wù)如2018年發(fā)射的洞察者號(hào)，它可以深入火星內(nèi)部數(shù)米，研究火星內(nèi)部熱流和地震等。
洞察者號(hào)著陸器??NASA
火星降落是人類航天的“天頂”科技之一，最典型特點(diǎn)是著陸系統(tǒng)需要完全自主導(dǎo)航控制完成著陸之旅。標(biāo)準(zhǔn)的火星著陸過程持續(xù)時(shí)間僅7分鐘左右，遠(yuǎn)不夠完成一次地火通訊，這意味著全程多個(gè)復(fù)雜的動(dòng)作，例如劇烈沖擊下姿態(tài)控制、超聲速下打開降落傘、拋隔熱大底、降落傘和支撐結(jié)構(gòu)脫離、反推火箭工作、懸停避障、減速軟著陸等必須依靠著陸器自主完成，因此對(duì)軟件和硬件的要求極高。
04
自由移動(dòng)：巡視任務(wù)
巡視器又名火星車，它相比固定的著陸器而言，最大優(yōu)勢(shì)在于可以隨處移動(dòng)，意義不言而喻。由于不帶有固定著陸器必須攜帶的推進(jìn)劑儲(chǔ)罐、著陸腿、支撐結(jié)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)等復(fù)雜部分，巡視器可以集中于科研載荷，從事多地點(diǎn)多方面的精細(xì)研究。
因此，火星車是近些年火星探測(cè)的核心，復(fù)雜程度越來越高，待機(jī)工作時(shí)間也越來越長(zhǎng)。一些著名的任務(wù)，例如勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)火星車使用太陽能電池板實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)超預(yù)期90天的工作時(shí)間。昂貴的好奇號(hào)火星車花費(fèi)超過25億美元，它采用了放射性同位素電機(jī)（又名核電池）為主要?jiǎng)恿?，可以全天候工作，且超能長(zhǎng)待機(jī)，著陸火星8年后至今仍在火星工作。
好奇號(hào)火星車在火星的自拍，
為視覺效果機(jī)械臂已經(jīng)抹去??NASA
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