在上一期節(jié)目中，我們提到，火星探測的風(fēng)險很高，而中國的首次火星探測器使用復(fù)雜的繞落巡設(shè)計，更是提高了任務(wù)失敗的可能?；鹦?strong>繞落巡的方案屬于中國首創(chuàng)，以前還沒有其他國家在一次火星探測任務(wù)中，同時實(shí)現(xiàn)環(huán)繞和著陸巡視探測。雖然環(huán)繞、著陸和巡視合一的設(shè)計有利于使用有限的經(jīng)費(fèi)獲得更多的成果，但也帶來了更大的難度和復(fù)雜度。那么，中國此次的火星探測項目究竟會如何發(fā)展呢？?

　　傳統(tǒng)火星探測的固有難度自不必說，中國首次火星探測任務(wù)增加了著陸和巡視探測，其中最困難的部分就是穿越火星大氣的下降和著陸過程。由于距離遙遠(yuǎn)，這個過程地面根本無法實(shí)時控制，只能由著陸器完全自主完成。美國的好奇號火星車就將這個過程稱為“恐怖7分鐘”。?

　　火星探測器總設(shè)計師孫澤州表示，他最擔(dān)憂的就是火星極為不確定的大氣情況。中國尚未開展火星探測，雖然有國外公開的論文和數(shù)據(jù)，但對火星大氣密度和組成、火星大氣變化規(guī)律和火星風(fēng)暴特征等因素仍然缺乏深入了解，實(shí)現(xiàn)成功降落的難度可想而知。中國的嫦娥三號成功實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸，但月球和火星軟著陸有著巨大的區(qū)別，也與載人飛船或是返回式衛(wèi)星的地球軟著陸大相徑庭。?

　　根據(jù)現(xiàn)有的報道，中國的火星探測器著陸登陸火星需要經(jīng)過四個階段：熱盾氣動外形減速、超音速降落傘減速、反推發(fā)動機(jī)工作減速和著陸腿緩沖吸能。這與美國近些年的火星著陸探測有明顯區(qū)別，倒是與最早的海盜號著陸器非常相似?；鹦侵懙那皟蓚€階段，由于火星重力和大氣與地球不同，很難在地面模擬；后兩個階段與嫦娥三號的月面軟著陸相似，但也僅僅是相似。?

　　簡單地說，火星是一顆質(zhì)量較大擁有稀薄大氣層的行星，這是火星軟著陸最大的麻煩所在。由于火星環(huán)繞速度大又存在大氣層，火星軟著陸無法像月球軟著陸那樣不考慮防熱，也就是必須考慮氣動外形的因素。一般都要專門設(shè)計熱盾外形，這與地球軟著陸較為相似；火星大氣又非常稀薄，減速效率遠(yuǎn)不如地球大氣層，地球上飛船和返回式衛(wèi)星都使用亞音速下打開的降落傘即可，而火星著陸器使用的都是超音速降落傘，而且為了保證安全，基本都選擇低海拔地區(qū)著陸。?

　　不僅如此，火星大氣環(huán)境也相當(dāng)復(fù)雜，尤其是不時出現(xiàn)的風(fēng)暴更是增加了著陸的難度。蘇聯(lián)的火星二號探測器的著陸器，就是一頭扎進(jìn)火星的沙塵暴里，結(jié)果導(dǎo)致著陸失敗。中國的首顆火星探測器進(jìn)入火星軌道后再施放著陸器，也算是總體方案激進(jìn)的大背景下，細(xì)節(jié)上借鑒海盜號和火星二號的經(jīng)驗教訓(xùn)偏向保守的設(shè)計。?

　　2020年是一個火星探測的熱門年份，不僅中印的探測器發(fā)射飛向火星，美國的2020年火星車、俄歐聯(lián)合的地外火星車、阿聯(lián)酋的希望號探測器屆時也將發(fā)射升空，中國火星探測任務(wù)將吸引更多的關(guān)注帶來更大的影響，就更不能為了提高首次任務(wù)的成功率簡化火星探測器設(shè)計了。?

　　火星探測與月球探測有很大的區(qū)別，遙遠(yuǎn)的距離和稀薄的大氣層，以及崎嶇的地形和惡劣的環(huán)境，都帶來了不同的挑戰(zhàn)。中國在月球探測上取得了巨大的成功，為了提高航天工業(yè)的技術(shù)水平，進(jìn)一步開展火星探測是理所當(dāng)然的。?

　　環(huán)繞火星的軌道器并沒有太大技術(shù)難度，葉培建等科學(xué)家曾提出使用嫦娥二號環(huán)繞探測火星的構(gòu)想，一個試驗性的火星軌道器除了獲得加入探測火星俱樂部的虛名，在國家聲望和科學(xué)探索上都不會有太大的價值，這也是中國航天五院和八院早期的自主火星探測方案中，分別增加了試驗著陸器和撞擊穿透器的根本原因。?

　　既然要借著火星探測的東風(fēng)提高中國航天深空探測能力和水平，那么一個更為先進(jìn)和復(fù)雜的環(huán)繞、著陸和巡視器，自然是更好的選擇。?

　　話說回來，繞落巡一體的設(shè)計看似十分激進(jìn)，但仔細(xì)分析跨度并不是太大：火星軌道器對今天的中國航天來說不是什么問題；火星著陸器的預(yù)研也一直在進(jìn)行，且不說2011年就已經(jīng)進(jìn)行過的氣囊緩沖試驗，在2016年3月航天報又報道了五院508所的超音速降落傘風(fēng)洞試驗；至于火星巡視器，玉兔號月球車面對的月球環(huán)境溫差要比火星苛刻的多，做一個能用的火星巡視器同樣不是太大的難題。?

　　不過，孫澤州總設(shè)計師也表示，中國火星探測的科學(xué)目標(biāo)還沒有最終確定，但基本集中在幾個方面。這個表態(tài)道盡了中國深空探測中工程技術(shù)優(yōu)先，科學(xué)探索搭便車的尷尬。如果中國發(fā)射類似印度曼加里安或是阿聯(lián)酋希望號那樣的火星環(huán)繞軌道器，首次任務(wù)缺乏經(jīng)驗，載荷性能恐怕也不盡人意。?

　　美國從海盜號開始，發(fā)射了為數(shù)不少的火星著陸器和火星車，但火星還是有太多的地方充滿未知和機(jī)遇。例如，美國航天局規(guī)劃的2020火星車已經(jīng)預(yù)選了8個著陸區(qū)，但這部火星車只能探測一個地點(diǎn)，其他具備同等級科研價值的7個區(qū)域只能放棄。中國首次火星探測任務(wù)的火星車重量和科學(xué)儀器水平都向機(jī)遇號火星車看齊，與好奇號和火星2020有很大差距，但仍有希望獲得新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。?

　　從這個意義上說，中國首次火星探測技術(shù)上最大的難點(diǎn)在于著陸，而最有科學(xué)價值的部分在于巡視探測，這個結(jié)合環(huán)繞著陸和巡視的火星探測方案，兼顧了經(jīng)費(fèi)投資、工程技術(shù)和科研任務(wù)，雖然存在一定的風(fēng)險，但也是目前形勢下最好的選擇。?

　　中國的月球探測計劃循序漸漸的繞落回三步走給人留下了深刻印象，中國航天和中科院早期的規(guī)劃中，火星探測同樣打算謹(jǐn)慎地進(jìn)行繞落回三步走，但隨著技術(shù)和能力的提高，火星環(huán)繞和著陸探測已經(jīng)合二為一，于是三步走也就成了兩步走，首次火星探測繞落巡任務(wù)之后，中國將進(jìn)行空前難度的火星取樣返回任務(wù)。?

　　火星取樣返回任務(wù)是火星無人探測皇冠上的明珠，它不僅具有極高的技術(shù)難度，花費(fèi)同樣不菲。美國從20世紀(jì)60年代以來進(jìn)行火星飛掠、火星環(huán)繞、火星著陸和火星車巡視探測，但在火星取樣返回任務(wù)上仍然充滿挑戰(zhàn)，而目前估算的高達(dá)50億－90億美元的任務(wù)開支，讓美國航天局也不得不拉上歐空局聯(lián)合進(jìn)行。?

　　中國航天打算挑戰(zhàn)火星取樣返回這樣的旗艦級任務(wù)，可不僅僅是勇氣可嘉，而是認(rèn)真開展了各種預(yù)研準(zhǔn)備工作。?

　　2015年中國火星取樣返回的論文中，甚至直接借用了嫦娥五號的概念，使用一個330千克的鐘形返回艙攜帶火星樣品返回。至于火星取樣返回任務(wù)的火星著陸和取樣技術(shù)，也在2020年火星繞落巡任務(wù)中得到驗證。?

　　如果2020年火星繞落巡探測任務(wù)進(jìn)展順利的話，中國有望和美歐同步開展火星取樣返回任務(wù)，這將使中國的火星探測技術(shù)和能力達(dá)到國際領(lǐng)先水平，而包括嫦娥五號在內(nèi)的一系列任務(wù)，將為火星取樣返回任務(wù)奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。?

　　不過話說回來，在沒有充分進(jìn)行火星遙感和巡視探測的條件下，缺乏對火星土壤、水冰、礦物、巖石和地質(zhì)構(gòu)造的深入了解，火星取樣返回，在科學(xué)上或許并不是一個好主意，有可能勞師動眾花費(fèi)巨資，取回的樣品卻不具備足夠的科研價值。但無論如何，2020年發(fā)射的中國火星探測任務(wù)都是一個值得期待的開始。?

　　好的，今天的非?？茖W(xué)到這里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息，可以搜索微信公眾號“feichangkexue”來關(guān)注我們，或者通過新浪官方微博“經(jīng)濟(jì)之聲非?？茖W(xué)”與我們節(jié)目組進(jìn)行互動。主持人亞楠代表編輯制作感謝大家的收聽，并誠邀您明天同一時間繼續(xù)與我們相約《非常科學(xué)》。?



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