火星被称“航天器墓地” 飞向火星为何这么难？

　　11月22日，俄罗斯联邦航天署副署长达维多夫在俄地面飞行控制中心对媒体表示，搭载有中国“萤火一号”的“福布斯—土壤”火星探测器飞往火星的可能性已不复存在。达维多夫说，向火星发射航天器的最佳窗口将于本月底关闭，理论上未来几天内“福布斯—土壤”还有飞向火星的机会。然而，考虑到地面一直未能同探测器恢复联系，这种可能性已微乎其微。

　　“恶劣”火星

　　火星被称为“航天器的墓地”

　　火星，这颗距地球最近的红色行星，让人类产生过无数幻想。

　　火星上到底有没有生命，是人们最想知道的问题。1962年11月，苏联发射了“火星1号”探测器，这被看作是火星探测的开端。从那以后，50年来，围绕这一问题，苏联、美国、日本、俄罗斯和欧洲总共向火星发射了约40颗探测器，把火星地表、岩石和土壤成分作为探测的主要目标，但其中超过60%以失败告终。也正因如此，火星被称为“航天器的墓地”。

　　神秘火星

　　表面很像地球，让人类产生无数幻想

　　作为太阳系九大行星之一，火星上也有四季，每季长6个月。火星表面不像月亮上那样密布着环形山，而更像地球上的岩石、火山和沙漠区域。由于它表面很像地球，过去人们一直认为，火星是太阳系中最可能有生命的一个星球。甚至有许多科学幻想小说里，已经出现了“火星人”。

　　从苏联、美国发往火星的探测器传回的讯息看，火星是一个荒芜、寂寞的旷野，布满了沙丘、岩石，气候像沙漠那样干燥，比南极洲还要寒冷得多。火星上的大气基本上是二氧化碳。但是，科学家们还发现，火星上有的地方水蒸气比较多，地球上的许多生物在这种条件下也可以生存。

　　距离远

　　4亿公里的地、火距离导致遥控遥测困难

　　虽然让人类产生很多幻想，到火星“串门”却很难。

　　首先是距离远。迄今为止，我国的太空探测器所到达过的最远位置，是日—地系统的“拉格朗日点”的2号位置。它到地球的距离大约相当于地月距离——38万公里的四倍，也就是大约150万公里。而火星距离地球的最近距离则达5500万公里，最远距离则超过了4亿公里。如果“萤火一号”到达火星后，与地球的距离将为3.56亿公里。

　　如果把在星际航行的探测器比作“风筝”，航天测控网就是那一根牵住“风筝”的线。通过这条看不见的“线”，地面控制系统可以对探测器的飞行轨迹、姿态、各个系统的工作状态进行测量、监视与控制。

　　而信号的强度与距离是成反比的，超远距离会带来信号衰减和传输延时等困难。

　　由于地球与火星最远相距4亿公里，需要实施超远距离的测控和通信，以确保指令的上传和数据的下传，这就要求地面测控站的天线孔径很大，发射足够大的上行功率和接收来自数亿公里远的火星探测器发回的下行微弱信号。此外，遥远的地、火距离，还使得信号往返一次至少需要45分钟，因此，必须要求探测器高度自主完成事先设置好的功能。

　　除此之外，火星探测器还面临着如何实现多星定向问题。多星定向是姿态控制里的难题，往地球传数据时要对地球定向；拍摄火星时仪器要对火星定向；太阳能帆板还要随时对太阳定向，这对探测器的姿态控制来说都是极大的挑战。

　　温度低

　　零下200℃左右的环境温度挑战探测器性能

　　对火星探测器而言，这个星球的严寒是一大挑战。火星上的黑夜被称为“长火影”，环境温度达到-200℃左右，最长持续时间达8.8小时。一旦探测器顺利抵达火星轨道，它将面临7个长达8.8个小时的“长火影”。在此期间探测器将得不到太阳能量，环境温度低于零下200℃， 过低的温度很可能将探测器“冻死”。只能让部分部件进入休眠状态，待离开“长火影”后，这些部件再被输电“唤醒”。美国“凤凰”号探测器就在火星的严冬中被“冻死”。针对“萤火一号”，上海科研人员曾在地面上做了大量试验，让“萤火一号”的太阳能帆板在-190℃时仍能顺利打开，在极端环境下也能进行“休眠—唤醒”作业。

　　此外，还需要解决探测器深冷温度环境下的控制问题以及部件的“超低剩磁”控制问题等，这些都是以前地球卫星、月球卫星没有遇到过的难题。

　　美国宇航局兰利研究中心的沃尔特—恩格伦德说：“我们每次发射探测器飞至火星总会获得一些经验，使未来的航天器更先进。我们现已掌握到火星大气层存在较大的变化，比地球大气层更富有动态变化。”

　　气压低

　　不到地球表面1%的低气压易形成全球性风暴

　　与地球相比，除了低气温，火星另一个突出的特点就是低气压——气压不到地球表面的1%。

　　紫金山天文台研究员王思潮在接受媒体采访时表示：“火星气压低，当太阳甫照地表时，大气便能快速增加动能，风速大，加上低重力，易形成强烈的风，卷起的狂沙形成尘暴，从太空可看到一片褐色尘云旋转、移动。甚至可能发展成全球性尘暴，将整个星球笼罩在尘雾之下。”

　　此外，因为火星地磁环境、地表性质、火星气候等都比较复杂，火星探测器随时有可能遭遇意外麻烦——空间碎片、太阳风暴的袭击等，一路充满了艰难险阻。

　　近两年，科学家通过研究发现，中国青藏高原及其邻近地区，如柴达木盆地、普若岗日冰原西侧、库姆塔格沙漠的风沙地貌与火星相似。在柴达木盆地的沙漠中有理想的类似火星线形沙丘、新月形沙丘和类似的空间组合关系，引起了科学家的浓厚兴趣。我国已于近日开始实施地球与火星风沙地貌的对比研究。

　　部分成功飞往火星的探测器

　　1965年7月 美国“水手4号”探测器飞近火星，从距火星1万公里处拍摄21幅照片，发现火星上存在大量环形山，大气密度只有地球的1%。

　　1969年 美国“水手5号”和“水手6号”再次掠过火星。它们拍摄的200多幅照片表明，火星表面温度比预想的更低，大气中二氧化碳含量高达95%，水蒸气几乎难以寻觅。美国“水手7号”也发回126张照片。

　　1975年8月 美国“海盗1号”升空，其于次年7月释放的着陆器顺利落至火星表面，向地面传回彩色照片。

　　1996年12月 美国“火星探路者”号发射。次年7月，其所携着陆器顺利落至火星，施放出“旅居者”号火星车，实现漫游考察并发现远古水痕。

　　2001年4月 美国发射“奥德赛”探测器。次年，该探测器发现火星表层可能富含冰冻水。其搭载的俄罗斯高能中子探测器也尝试找水并探测火星表面中子流。

　　2003年 美国“勇气”号和“机遇”号火星车分别于6月和7月发射升空。它们都成功登上火星，对火星岩石和地貌开展长达七八年的漫游考察。

　　2003年6月 欧洲航天局“火星快车”探测器升空。

　　2005年8月 美国“火星勘测轨道飞行器”升空，其所携探测仪的数量、探测精度和数据传输能力均创下当时历史纪录，其探测活动已持续到2011年。

　　2007年8月 美国“凤凰”号探测器启程，次年5月在火星北极着陆。探测器考察两月后，科学家确认“凤凰”号在加热火星土壤样本时发现水蒸气，为火星有水找到证据。

　　延伸阅读

　　美火星探测器“好奇号”25日发射 将寻找外星生命

　　美国第四个火星探测器“好奇号”已经整装待发，美国国家宇航局正在为预定于11月25日的首发做最后的准备。此次火星探测的主要任务依然是寻找是否有适合生命存在的环境因素。

　　美国国家宇航局火星科学实验项目主任塞辛格确认，为首次窗口机会发射的准备工作正在进行中，如果天气或者其它因素不许可，则到12月18日之前还有若干次发射机会。

　　重量达1吨的“好奇号”预计将在火星的盖尔火山口内一个高达5千米山峰的底部着陆。

　　探测器将调查火星的环境状况是否曾经有利于微生物的发展，或者保存有那种状况的任何证据。

　　“好奇号”装备有一整套10件科学仪器，设备重量是以前火星探测器的15倍。“好奇号”上高达2.1米的桅杆使得照相机和激光发射设备能从远处研究目标物。

　　我国自主开展火星探测需要跨过两道坎

　　在近日举行的第六届上海工程师论坛航天技术分论坛上，上海宇航系统工程研究所研究员刘宗映表示，要实现自主深空探测，还有两道“坎”必须跨过。首先，我国航天人必须解决运载火箭推力不够的问题。要让火星探测器脱离地球引力，必须达到11.2公里/秒的第二宇宙速度。而如今，运载“嫦娥二号”的火箭速度也只有10.9公里/秒。资料显示，此次发射“萤火一号”的俄罗斯“天顶－2SB”火箭的近地轨道最大运载能力为13.74吨，而长征系列运载火箭的近地轨道最大运载能力是9.2吨，与前者相比还有很大差距。

　　必须跨过的另一道“坎”，则是我国还欠缺成熟的测控网系统。在深空探测的漫长旅途上，信号十分微弱，如果接收不到信号，就无法对探测器的运行状态做出判断和调整。此次中俄联合探测火星，利用的正是俄罗斯成熟的测控能力。“如果我国进行自主深空探测，现有的探测网水平是不够的，探测船数量也太少，所以我们要加把劲，建立覆盖全球的深空测控网。”刘宗映说。目前我国还没有覆盖全球的深空探测网，仅在乌鲁木齐和佳木斯设有两个探测站，覆盖面有限，一些重大的探测活动还需与俄罗斯、欧空局合作。

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【 作者：李季  编辑： 】