2020年，我们与火星有个“约会”

在嫦娥探月工程不断取得成功之际，越来越多的中国航天人和航天爱好者将目光投向火星。终于，2016年4月22日国防科工局局长许达哲在就中国首个航天日举行的发布会上，宣布了火星探测任务正式立项的重磅消息。

火星探测：一路坎坷

中国月球探测工程已经发射了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号和嫦娥五号T1总计4颗探测器，未来还将发射嫦娥五号取样返回探测器、月球背面着陆的嫦娥四号和地月L2轨道的中继星，不仅过去的成就举世瞩目，更有未来的锦绣前程。相比之下，中国火星探测工程2016年才正式立项，未来更有很大的不确定性。两个工程看起来是两个阶段的事情，很少有人留意到，其实中国的火星探测和月球探测几乎是同时起步的。

探月工程正式启动于2004年，嫦娥一号发射升空则是2007年10月24日。而早在2005年11月，中俄两国总理定期会晤中就考虑制定联合双边太空探索计划，到2007年3月26日，两国签署联合探测火星和火卫一的合作协议。根据中俄两国的协议，俄罗斯将利用福布斯-土壤号是探测器空余的空间和运力，为中方搭载一颗火星探测器。这就是萤火一号的由来。

萤火一号：出师未捷身先死

萤火一号火星探测器是中国航天少有的国际合作项目，选择借船出海而不是自力更生，是因为我们实在缺乏深空探测能力。举例来说，当年中国发射的距离地球最远的卫星是双星计划中的探测一号，由于火箭入轨控制问题，远地点比原计划高了一万多千米！要向距离地球最近也有5500万千米的火星发射探测器，长征火箭的导航制导控制系统恐怕暂时无法满足需求。

即使火箭有可能改进以满足需求，测控系统的不足也是一个大问题。中国的航天测控网络当时只具备对地球轨道目标的测控能力，为了满足嫦娥一号月球探测器的测控任务，要在喀什站和青岛站各新建一座18米的统一S波段测控天线，还要借用中科院的大型射电望远镜通过甚长基线干涉（VLBI）技术进行测控。所以说，当时的中国从硬件到经验都不支持开展独立的火星探测。

深空探测具有全球性、科学性等特点，国际合作是其主流发展模式。前不久英国BBC采访中国探月和火星计划总师吴伟仁时，英国人不无恶意地评论，中国在合作日益增强的太空探测活动中被认为是一匹孤狼。这并不是我们闭关锁国，而是被美国封锁的困境使然。中国航天始终欢迎国际合作，萤火一号项目的实施就是一个范例。国际合作的萤火一号项目，有助于中国弥补能力和经验的短板，多快好省地开展火星探测。国际合作对中国航天是有利和必要的，只可惜后来的发展可谓计划赶不上变化。

即便有俄国人交流帮忙，火星探测对中国航天来说仍然充满未知，无论是深冷温度环境的控制还是超低剩磁的控制，或是超远距离的测控和通信，都是不小的挑戰。但是上海航天八院在研制萤火一号探测器的过程中陆续解决了这些技术难题，用23个月就完成了一般5年才能完成的研制任务。

但遗憾的是，由于俄罗斯方面研制进度滞后，福布斯-土壤号探测器无法在2009年10月如期发射，发射日期推迟到大约26个月之后的下一次发射窗口。而更糟糕的是，2011年11月9日福布斯-土壤号探测器发射后，主发动机没能进行启动点火最后坠落太平洋，导致萤火一号探测器也跟着出师未捷身先死。

萤火一号的失败，虽然不是中国航天的原因，但仍给了中国火星探测当头一棒。在嫦娥一号探测器的成功发射和中国航天技术全方位进步的鼓舞下，嫦娥一号总师叶培建等人雄心勃勃地表示，中国应该独立进行火星探测。

独立火星探测：屡败屡战

继萤火一号之后，独立的火星探测方案不断出炉，其中既有上海航天八院的萤火一号改进型方案，也有北京航天五院的嫦娥探测器改进方案。上海八院的方案中，火星探测器以萤火一号为主体，增加了推进巡航段，使探测器具备了独立飞向火星和进行制动进入火星轨道的能力，还增加了两个30～50千克的火星穿透撞击器用于研究火星地质构造。北京五院的方案更为大胆，他们以嫦娥一号平台为基础，更换了用于火星探测的载荷，并增加了一个约50千克的小型试验着陆器，将使用气动刹车辅助减速进入火星轨道，验证火星环绕探测和火星大气进入、下降和着陆的技术，总体水平上类似欧洲的火星快车。

这些方案并没有停留在纸面上，且不说上海成熟的萤火一号改进方案，北京五院也进行了大量的研究，突破了火星测控通信的轻型应答机和轻质量天线，以及深空导航制导技术，还进行了火星着陆技术的研究，实际开展了软着陆气囊原理样机的空投演示试验。火星探测技术的研究同时使中国航天的运载火箭和测控网络都有了巨大的发展，探月工程中长征三号火箭就改进提高了制导精度，而喀什站35米、佳木斯站64米专用深空测控天线的建成，也让中国的深空测控能力有了飞跃性的进步。

遗憾的是，福布斯-土壤号探测器两年的拖延和2011年的失败，无情地粉碎了这一切，将中国火星探测计划打入冷宫。然而中国科学家并没有放弃独立开展火星探测的希望，2011年后仍然不断提出火星探测的倡议，但始终没有得到国家批准立项，只能眼睁睁地看着印度的曼加里安号火星探测器于2013年成功发射并于2014年成功入轨。

或许是由于印度的成功，2013年中国航天火星探测的构想也有了较大的变化，从以轨道器为主外加撞击器或试验性着陆器，演进升级为轨道器、着陆器和巡视器三位一体，预定发射时间为2018年。

尽管从技术上看，火星探测对中国人来说已经不再遥远，但国家始终没有正式立项，而火星探测26个月一个窗口的限制，意味着错过一次就要再等两年多，于是计划于2018年发射的火星探测绕落巡探测器，也只能推迟到2020年再发射了。

有优势，有风险，也有机遇

2016年1月11日，中国自主火星探测项目终于正式立项。根据目前公布的消息，中国的首个火星探测器将是一个环绕、着陆和巡视结合的空前复杂的项目，其复杂度不仅超过了美国在航天竞赛时代发射的水手号和海盗号探测器，也比欧空局的火星快车复杂得多。

中国首次火星探测就选择了难度极高的绕落巡一体方案，这种选择并非无的放矢。开展深空探测，既有航天竞赛时代提高国家威望的理由，也有提升航天工业技术水平的需求，还有探索未知获取新发现的意义。无论从哪个角度说，中国的绕落巡火星探测方案都有其必要性。

从政治上说，我们一直津津乐道于中国是第三个独立掌握载人航天能力的国家，那么同样备受关注的空间科学和深空探测领域，中国自然不能长期缺席。

2020年是一个火星探测的热门年份，不仅中国和印度均有探测器发射飞向火星，美国的2020年火星车、俄欧联合的地外火星车、阿联酋的希望号探测器届时也将发射升空，中国火星探测任务将吸引更多的关注并带来更大的影响，这意味着我们不能为了提高首次任务的成功率而简化火星探测器设计。

绕落巡一体的设计看似十分激进，但仔细分析其跨度并不是太大：火星轨道器对今天的中国航天来说不是什么问题；火星着陆器的预研也一直在进行，除了2011年就已经进行过的气囊缓冲试验，2016年3月航天五院508所还进行了超音速降落伞风洞试验；至于火星巡视器，玉兔号月球车面对的月球环境温差要比火星苛刻得多，所以做一个能用的火星巡视器同样不是太大的难题。

简而言之，对于今天的中国航天而言，火星环绕、着陆和巡视探测技术都有一定的基础，绕落巡一体探测可以发挥技术牵引作用，有利于以更少的经费更快地提高中国深空探测的水平，先发射验证性的火星轨道器并非必不可少。

从这个意义上说，中国首次火星探测技术上最大的难点在于着陆，而最有科学价值的部分在于巡视探测，这个结合环绕、着陆和巡视的火星探测方案，兼顾了经费投资、工程技术和科研任务，这些都使得首次火星探测任务更具难度和复杂性。虽然存在着一定风险，但也是目前形势下最好的选择。

中国火星探测的未来

中国的月球探测计划循序渐进的绕落回三步走给人留下了深刻印象，2017年肩负月球取样返回任务的嫦娥五号即将发射，那么火星探测又有怎样的规划和未来呢？

在中国航天和中科院早期的规划中，火星探测同样打算谨慎地进行绕落回三步走，但随着技术和能力的提高，火星环绕和着陆探测已经合二为一，于是三步走也就成了两步走，首次火星探测绕落巡任务完成之后，中国将进行空前难度的火星取样返回任务。

火星取样返回任务是火星无人探测皇冠上的明珠，它不仅具有极高的技术难度，花费同样不菲。美国从20世纪60年代以来进行了火星飞掠、火星环绕、火星着陆和火星车巡视探测，但在火星取样返回任务上仍然充满挑战，而目前估算的高达50亿～90亿美元的任务开支，让财大气粗的美国航天局也不得不拉上欧空局联合进行。

中国航天打算挑战火星取样返回这样的旗舰级任务，可不仅仅是勇气可嘉，而是认真开展了各种预研准备工作。目前中国长征九号重型运载火箭已经进入关键技术攻关和方案深化论证阶段，重型火箭使用的500吨级液氧煤油发动机已在2016年8月完成首次燃气发生器—涡轮泵联动试验，未来的重型火箭火星转移轨道运力可达44吨，足以支持一次大型火星取样返回任务。

火星取样倒不一定非要使用SLS或长征九号级别的重型火箭，美欧联合的火星取样返回任务也提出过3枚宇宙神5型火箭或是一枚宇宙神5型火箭加一枚阿里安5型火箭的轻量级设计。2015年国际宇航大会上，中国投递的论文中恰好也有类似的方案，即使用一枚长征三号乙或长征七号火箭加一枚长征五号火箭执行发射任务。总之，未来火星取样返回任务的运载工具不会是个问题。

火星取样返回任务中样品的转移一向是个难题，而在2017年的嫦娥五号任务中，中國就将验证月球样品的轨道转移，在这项技术上中国遥遥领先于包括美国在内的任何其他国家。更有趣的是，2015年中国火星取样返回的论文中，甚至直接借用了嫦娥五号的概念，提出使用一个330千克的钟形返回舱携带火星样品返回。至于火星取样返回任务中的火星着陆和取样技术，也将在2020年火星绕落巡探测任务和2017年嫦娥五号任务中得到验证。

毫不夸张地说，如果2020年火星绕落巡探测任务进展顺利，中国将有望和美欧同步开展火星取样返回任务，这将使中国的火星探测技术和能力达到国际领先水平，而包括嫦娥五号在内的一系列任务，将为火星取样返回任务奠定坚实的基础。

虽然前路依旧困难重重，但是我国的科研工作者们信心满满，为2020年与火星的“约会”做着积极的准备。