探火与探月的异同——从月球车到火星车有多难

庞之浩 /文

2020 年，我国首次火星探测将通过一次发射完成“环绕、着陆、巡视”三个探测任务，这在世界火星探测史上是前所未有的，将面临巨大挑战。此前，只有美国海盗1 号、2 号火星探测器曾通过一次发射实现了“环绕、着陆”两个探测目标。

目前，我国已通过嫦娥1 号、2 号完成了对月球的“环绕”探测任务，通过嫦娥3 号、4 号完成了对月球的“着陆、巡视”探测任务，所以有些航天爱好者可能会问，我国的火星车能否借鉴玉兔号、玉兔二号月球车的研制技术？探测月球与探测火星有什么区别？要回答这一问题，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。

不一样的星球

首先应该知道的是，虽然月球与火星都是地外星球，但它们有很多不同之处，例如，月球以1.02 千米/秒（3683 千米/小时）的速度，在稍扁的轨道上绕地球公转，离地球有时近有时远，最近时约36万千米，最远时约40 万千米，平均距离约为384400千米。而火星以椭圆轨道绕太阳飞行，它与地球的最近距离约为5500 万千米，最远距离则超过4 亿千米。大约每隔26 个月就会发生一次火星冲日，地球与火星的距离在冲日期间会达到极近值，通常只有不足1亿千米。

月球是地球唯一一颗天然卫星，其质量相当于地球质量的1／81，所以引力较小，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4/10。

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℃。月球白天最高温度可达130°C；晚上温度会下降到-180°C 左右，且月球的白天和夜晚各自长达13.5 天。而火星有大气，但非常稀薄，密度只有地球的大约1%。火星赤道中午时可达20℃，两极最低温度-140℃，火星上的平均温度大约为-55℃。巨大沙尘暴是火星大气中独有的现象，几乎在每个火星年里都要发生一次，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 日7 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，即火星上的一天几乎和地球上的一样长。火星公转一周约为687 天，即火星的一年约等于地球的两年。

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，它们主要是机械作用的产物。陨石的频繁撞击，撞击溅射物的不断堆积，宇宙射线的轰击和剧烈的温差促使月表岩石破裂和粉碎，这些机械作用最终形成月壤。月壤的粒度分布很广，但绝大部分颗粒在30 微米到1 毫米之间，摸起来跟面粉一样细腻。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。而火星和地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷，基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，遍布遭陨星袭击后因撞击形成的坑坑洼洼。它最引人注目的地形特点是干涸的河床，多达数千条，蜿蜒曲折，纵横交错。它们主要集中在火星的赤道区域附近。

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比月球距地球的距离远得多，每隔26个月才会相距较近，即每26 个月才有一次发射窗口，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，所以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 千米/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 宇宙速度才行，即11.2 千米/秒，以脱离地球引力。因此，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。

因为火星探测器飞往火星的时间和距离比月球探测器飞往月球的时间和距离长得多，前者最快一般需大约7 个月，后者最快只需四五天就能到达目的地，所以对火星探测器的测控通信要比对月球探测器的测控通信复杂得多。

一是由于测控通信的信号强度与距离的平方成反比，经过几亿千米的路程，火星探测器传回地球的信号变得十分微弱，加上宇宙空间存在着各种各样的噪声，所以很容易把传输信号淹没掉。同样的一个信号，从月球发射到地球接收和从火星发射到地球接收要差100 万倍。所以测控火星探测器，对探测器本身以及地面测控站都提出了很高的要求，它既要求火星探测器装有高增益天线，也要求地面有天线直径很大的深空测控站（天线的直径和探测距离成正比，增大天线口径可以增加探测距离）。近年，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（以前是18 米），它们能满足未来火星探测器的测控要求，曾对距地球约1 亿千米的嫦娥2 号进行了测控。

铁锈红样的火星

二是由于距离地球远，火星探测器测控信号的传输延时很长，单向就达15～25 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，要求火星探测器有更高的自主性。

三是由于路途漫漫，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、更精确的轨道修正才行，这样才能准确地飞到火星。如果火星探测器在地火转移轨道近地点有1 米/秒的速度误差或1千米的高度误差，飞到火星附近时都将产生10 万千米的位置误差。

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，所以火星探测器的太阳电池翼性能必须更高。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，就是因为火星的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。据悉，我国的火星车有4 个太阳能电池板。

我国将用长征5 号火箭发射天问一号火星探测器

美国毅力号将在2021 年在火星耶泽洛陨坑着陆

其实，选择着陆点也不容易。火星着陆地点的选择与月球着陆地点的选择在原则上是一样的。例如，一是安全性，着陆点要相对开阔平坦；二是科学性，即具有科学探测价值；三是可测控，便于通信；四是光照比较充足的区域，以保障着陆器和巡视器的电源供应；五是创新性，选择一个其他国家没有探测过的地方。

现在，我国火星探测面临的难题是要一次完成“环绕、着陆、巡视”，而不能像“嫦娥工程”或国外大多数火星探测那样，先发射轨道器帮助选择合适的着陆地点，然后再发射着陆器在选好的着陆点着陆。首先需要事先掌握、分析其他火星探测器拍摄的大量火星图片和研究成果，从中选择几个候选着陆地点；其次，在我国火星环绕器进入火星轨道后且没与着陆巡视器分离之前，借助环绕器发回的图像确定最终着陆地点；最后环绕器与着陆巡视器分离，着陆巡视器进入火星大气在选定的着陆点软着陆，环绕器在轨道上继续成像和开展其他科学任务。

据悉，我国的火星着陆地区已初步选定在火星北纬5°～39°一带。之所以选择低纬度地区是由于我国火星车将用太阳能供电，从光照角度考虑，最理想的地方是火星赤道附近，但是火星赤道附近的地形复杂。另外，由于登陆火星99%以上的减速是靠大气减速，因此着陆点海拔越低减速时间越长，着陆越安全。综合考虑地形复杂度、高程、光照条件、温度等因素，火星比较适合着陆点在北纬5°～39°的区域。

嫦娥3 号落月示意图

恐怖的七分钟

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700 秒”。似乎在月表着陆比在有大气的火星表面着陆更难。

其实，在火星上着陆更不容易。因为探测器进入火星大气时离地球很远，遥测和遥控信号比较微弱；另外，当探测器运动到火星背面时，地球上无法准确地确定其轨道参数，这就给再入高度的选择带来困难。由于受通信延时的影响，所以在火星着陆的全过程中，一切都要靠探测器自主进行。

进入火星大气层后，探测器防热措施如何？降落伞和缓冲火箭等能否按程序工作？都至关重要，必须非常精确，整个过程要经历所谓的“恐怖7 分钟”。一名美国科学家曾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。也有人说其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。

许多探测器都因此功亏一篑。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，最终撞毁。2003 年，欧洲“猎兔犬”2 号着陆器在与火星“火星快车”轨道器分离后便失踪了。2016年，欧洲的“微量气体轨道器”和“夏帕雷利”着陆演示器分离后，“夏帕雷利”就因为仅一秒的计算失误，提前将降落伞与防热罩分离了，导致“夏帕雷利”硬着陆而撞毁。

美国“火星科学实验室”着陆方式

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，二是反推着陆腿式，三是空中吊车式，每种方案都各有优缺点。气囊弹跳式比较简单，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；反推着陆腿式介于它们两者之间。

由于月球没有空气，所以苏联月球车1 号、2 号，美国“阿波罗”登月飞船和我国嫦娥3 号、4 号月球探测器等都采用缓冲发动机反推＋着陆腿的方式。

由于火星上有空气，所以在火星上着陆时都要使用降落伞来减速，例如美国海盗号、凤凰号火星着陆器采用降落伞＋缓冲发动机反推＋着陆腿的方式；美国“火星探路者”“火星漫游者”采用降落伞＋气囊弹跳的方式；美国“火星科学实验室”采用降落伞＋缓冲发动机反推＋空中吊车的方式。

据悉，我国天问一号的着陆巡视器将采用反推着陆腿式。具体来说就是经过气动外形减速、降落伞减速、反推发动机减速，展开着陆腿，缓冲着陆到火星表面。其可能的原因是：我国的巡视器，即火星车质量较大，为200 多千克；另外，我国有嫦娥3 号、4号在月球着陆的先进技术和经验可以借鉴，其中的悬停、避障技术居世界领先。

在地外星球着陆后也不是万事大吉，因为火星的重力比月球大许多，火星的气候、表面的环境、行驶的路况也与月球千差万别，所以在火星车的设计、研制和试验等方面，都与月球车有许多不同，其中在某些方面月球车难度可能更大，例如由于没有大气和月球自转慢，月夜有长达13.5 天的—180℃超低温，所以落月探测器的热控系统比较复杂。而火星车就不会遇到这种恶劣的温度环境，但它要经受火星沙尘暴以及远距离测控通信、能源供给的考验。

因为月球车和火星车行驶的路况、环境等不同，所以它们在移动分系统（包括轮子）、导航控制分系统、有效载荷分系统等方面也不完全一样。例如，月球车可采用地面遥控与自主控制相结合的办法进行巡视探测，而离地球遥远的火星车需采用自主控制为主的办法进行巡视探测；月球自转慢，且没有大气，其上的探测仪器可对宇宙天体进行全波段连续观测，在火星上没有这一优势；月球车如果落在月球背面，就必须依靠月球中继卫星与地球联络，但火星车不存在这个问题。

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，但由于距离太远，所以总的来讲，火星车的研制和运行更难，这也是一般国家都是先探月、后探火的原因吧。

中国着陆巡视器效果图