漫谈火星探测任务

2021-08-16毛新愿

百科探秘·航空航天 2021年8期

毛新愿

火星是地球的邻居，但这个邻居“住”得并不近，它与地球的距离在5 500万千米～4亿千米之间变化，就连速度极快的光单程都需要走3分钟～22分钟。不仅如此，地球与火星每隔780天才有一次会合机会，而对于地球上的我们来说，只有会合前几个月的时间窗口才适合开展火星探测。可见，我们想到这个邻居家拜访一次着实不易。

虽然很困难，但人类还是走出家门开启了一次次火星探测之旅。不过，人类每次拜访火星的方式是不同的：有时是从火星身边飞掠而过，有时是在火星轨道上环绕观测，有时是在火星表面降落，有时是在火星表面开车巡视。总而言之，拜访的目的五花八门，做客的方式多种多样。今天我们就来聊聊火星探测的四种方式都有哪些门道。

惊鸿一瞥：飞掠任务

飞掠任务就是探测器在火星附近飞速掠过，并在极短的时间内抓住一切机会记录有用数据，随后滑入深空。相比动辄数月的深空旅行时间，观测火星的真正有效时间仅在1天左右。

对于火星探测这种昂贵的任务，飞掠是非常不理想的设计。但是没有办法，人类在20世纪60年代开启火星探测时，火箭运输能力、探测器自身的推进能力、轨道控制和确定精度能力都有明显不足，很难让探测器制动减速，留在环绕火星的轨道上。所以，飞掠就成了无奈之举。不过，能实现工程验证目标、以一瞥火星真容为核心的飞掠任务是在当时的技术水平之下成功率相对最高的做法了。

然而，在火星探测的起步阶段，连飞掠这个目标都很难实现。1960年到1964年，苏联和美国拉开的火星探测大幕，开局就是6次惨烈的失败。

“水手4号”探测器

1965年，“水手4号”探测器拍摄的历史上首张火星近距离照片

失败并不可怕，总会迎来曙光。1964年11月28日，美国发射的“水手4号”探测器终于在1965年7月15日成功从火星附近飞掠而过，最近时距离火星约1万千米。在短暂的观测时间内，探测器努力将镜头和各种科学仪器对准火星，拍摄了22张火星照片，并记录了火星的磁场、温度、大气等研究数据，随后滑入深空，与火星永别。

随着探测技术的逐步发展，以飞掠为目标的火星探测任务逐渐消失，但也有一些探测地球外侧天体的探测器“兼职”飞掠探测了火星。例如探测彗星的“罗塞塔号”和探测小行星带的“黎明号”都曾飞掠火星。2018年发射的“洞察号”着陆器也带了两颗微小卫星飞掠火星。

登高望远：环绕任务

慢慢地，随着技术的进步，探测器靠近火星后已经可以依靠自身动力制动进入环绕火星的大椭圆轨道。如果探测器的推进能力更强或者能够借助火星顶部的稀薄大气缓慢“刹车”，它甚至可以直接变轨进入圆形轨道。轨道高度越稳定，观测起来就越有效率。

轨道器又名环绕器，它能够长期环绕火星，登高望远，所以可以采集到关于火星的海量数据。根据这些数据，我们就可以全方位地研究火星的磁场、大气层、重力场、水、浅层土壤等方面的情况，极大地丰富了人类对火星的认知。此外，轨道器还能起到至关重要的信号中继作用，可以服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器。比如著名的“奥德赛号”探测器，它于2001年发射后，在轨道器的帮助下至今已经工作了将近20年，这个纪录还在不断被刷新呢！

“奥德赛号”探测器

观天测地：降落任务

降落任务的最大优势是能更仔细地研究火星表面的各种细节，尤其是对水、气象、底部大气、土壤成分、地表地貌、潜在有机物和深层土壤的研究。但需要说明的是，受重量和能量限制，着陆器自身不可能携带巨大的天线与地球直接联络，它仅能将所有信息发给火星上空的轨道器，让其代为转发。比如，2018年发射的“洞察号”探测器，它有着陆器，可以降落在火星表面，深入研究火星内部的热流和地震信息等。

火星降落是人类航天事业的顶级科技之一，最典型的特点就是着陆系统需要完全自主导航、控制完成着陆之旅。标准的火星着陆过程持续时间仅为7分钟左右，远不够完成一次地球与火星之间的通信，这意味着全程多个复杂的动作，着陆器必须自主完成。这样一来，就对着陆器的软件和硬件提出了极高的要求。