百科：2020年，火星探測(cè)器再出發(fā)

在4月24日首個(gè)“中國(guó)航天日”來(lái)臨之際，中國(guó)國(guó)家航天局宣布了中國(guó)的火星探測(cè)任務(wù)，即將于2020年左右發(fā)射一顆火星探測(cè)器。而原定于2018年發(fā)射的俄歐火星漫游車(chē)近日也宣布推遲至2020年發(fā)射。2020年還是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“火星2020”漫游車(chē)發(fā)射的日期。可見(jiàn)，2020年將是一個(gè)探測(cè)器“扎堆”前往火星的時(shí)間窗口。

出師未捷的“螢火”一號(hào)

　　時(shí)至今日，人類(lèi)共向火星發(fā)射了43個(gè)探測(cè)器。成功的尚不到一半。已經(jīng)執(zhí)行火星探測(cè)任務(wù)的只有俄羅斯、美國(guó)的部分航天器以及歐洲空間局與印度的各一個(gè)航天器。日本發(fā)射的一個(gè)火星探測(cè)器在靠近火星時(shí)失蹤了。今年3月14日，歐洲空間局和俄羅斯航天機(jī)構(gòu)聯(lián)合研制的火星“微量氣體軌道器”發(fā)射升空，目前正在飛往火星的途中。
　　2011年11月9日，我國(guó)第一個(gè)火星探測(cè)器——“螢火”一號(hào)搭乘在俄羅斯的火星土壤采樣返回探測(cè)器上一起發(fā)射升空。遺憾的是，發(fā)射升空器箭分離后，俄羅斯的火星探測(cè)器未能按計(jì)劃實(shí)施變軌，致使我國(guó)探測(cè)火星的首次嘗試未能成功。

　　“螢火”一號(hào)火星探測(cè)器本體長(zhǎng)、寬各約75厘米，高60厘米，兩側(cè)太陽(yáng)能電池板展開(kāi)后長(zhǎng)近8米，重約115千克，設(shè)計(jì)壽命為兩年。由于火星附近太陽(yáng)光能量密度比地球低，故而“螢火”一號(hào)兩側(cè)共有6塊太陽(yáng)能電池板。探測(cè)器上攜有等離子體探測(cè)包、光學(xué)成像儀、磁強(qiáng)計(jì)、掩星探測(cè)接收機(jī)等有效載荷。按照原定計(jì)劃，“螢火”一號(hào)將最終進(jìn)入環(huán)繞火星的大橢圓軌道運(yùn)行，自主完成對(duì)火星空間環(huán)境和星球表面的探測(cè)任務(wù)，并對(duì)火星進(jìn)行成像，探究一度似乎在火星表層大量存在的水是怎樣消失的，還將與俄羅斯火星探測(cè)器聯(lián)合完成對(duì)火星環(huán)境的掩星探測(cè)，并把獲得的數(shù)據(jù)資料以無(wú)線電信號(hào)的形式傳回地球。

2020年：前往火星的時(shí)間窗口

　　向火星發(fā)射航天器可選用多種飛行路線。為了節(jié)省能量，各國(guó)都采用初始速度最小的飛行路線，并將其稱為最佳軌道。最佳軌道只有一條，那就是外切于地球公轉(zhuǎn)軌道、內(nèi)切于火星公轉(zhuǎn)軌道的雙切式橢圓軌道，又稱為霍曼軌道。霍曼軌道雖可節(jié)約火箭能量，卻因速度小而使飛行時(shí)間變長(zhǎng)，航天器從地球到達(dá)火星需要飛行259天，即近9個(gè)月的時(shí)間。

　　由于地球和火星都在繞日運(yùn)行，兩者的相對(duì)位置不斷發(fā)生變化。當(dāng)太陽(yáng)、地球、火星處于同一條直線上時(shí)，稱為相沖。兩次相沖間隔的時(shí)間叫會(huì)合周期。顯而易見(jiàn)，在一個(gè)會(huì)合周期內(nèi)地球、火星及太陽(yáng)三者之間的每一種相對(duì)位置只能出現(xiàn)一次，故對(duì)選定的霍曼軌道來(lái)說(shuō)，每一個(gè)會(huì)合周期內(nèi)只有一次有利的發(fā)射時(shí)機(jī)。火星與地球的會(huì)合周期為780天，即將近26個(gè)月，因此每隔26個(gè)月才有一次沿霍曼軌道發(fā)射航天器的發(fā)射窗口。鑒于軌道形狀可以在一定范圍內(nèi)改變，發(fā)射窗口的時(shí)間區(qū)段能持續(xù)幾十天之久，所以仍給發(fā)射航天器留下了少許自由度。2020年又遇發(fā)射窗口期，故而中、美、俄、歐等國(guó)計(jì)劃發(fā)射新研制的火星探測(cè)器。

高起點(diǎn)的探測(cè)火星方案

　　“螢火”一號(hào)火星探測(cè)器原是我國(guó)火星探測(cè)“繞、落、回”三步走計(jì)劃中第一步“繞”的組成部分。而我國(guó)新的火星探測(cè)計(jì)劃，則將“繞、落”任務(wù)合并為一次完成。也就是說(shuō)，我國(guó)2020年火星探測(cè)任務(wù)將一次性實(shí)現(xiàn)“繞”“落”“巡”。至于從火星采樣“回”到地球的目標(biāo)，將視前期任務(wù)完成情況而定。直至目前，世界上還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家從火星取回過(guò)樣品。
　　早期的火星探測(cè)大多從環(huán)繞探測(cè)起步，逐漸發(fā)展到環(huán)繞和著陸探測(cè)相結(jié)合，近年來(lái)已經(jīng)發(fā)展到以巡視探測(cè)為主的階段。隨著我國(guó)航天技術(shù)的進(jìn)步，直接跳過(guò)單純環(huán)繞探測(cè)階段，將環(huán)繞探測(cè)與巡視探測(cè)相結(jié)合。與俄羅斯只發(fā)射著陸器和美國(guó)僅發(fā)射巡視器不同，我國(guó)要一步到位，實(shí)現(xiàn)一次性發(fā)射探測(cè)和著陸巡視的火星探測(cè)器，這將是一個(gè)很大的跨越。這意味著，我國(guó)火星探測(cè)器將包括軌道器、著陸器，待著陸器降落在火星表面后，它還要釋放能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行巡視探測(cè)的火星車(chē)。著陸器又稱科學(xué)觀測(cè)站，軌道器在探測(cè)火星的同時(shí)，還為另兩者的火星表面探測(cè)任務(wù)提供中繼通信服務(wù)。

　　我國(guó)火星探測(cè)器模型整體為金黃色，包括軌道器、著陸器、火星車(chē)和用于地球與火星之間的遠(yuǎn)距離通信的白色高增益天線。其著陸器、火星車(chē)的大小和結(jié)構(gòu)，與先前登月的嫦娥探測(cè)器和玉兔號(hào)月球車(chē)有相似之處，火星車(chē)長(zhǎng)約2米，它和玉兔號(hào)月球車(chē)一樣有6個(gè)車(chē)輪，但個(gè)頭比玉兔號(hào)更大，因此它應(yīng)比玉兔號(hào)具有更強(qiáng)的越障能力。
　　與此同時(shí)，我國(guó)規(guī)劃的南美洲深空站將于2016年末建成。該站投入使用后，將實(shí)現(xiàn)我國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)的全球布站，具備S、X和Ka共3個(gè)頻段功能的測(cè)控和數(shù)據(jù)接收能力，對(duì)深空探測(cè)器的測(cè)控覆蓋可達(dá)到90%以上，可為我國(guó)用航天器探測(cè)火星等深空探測(cè)提供測(cè)控支持。也就是說(shuō)，屆時(shí)我國(guó)將完全具備支持自主火星探測(cè)任務(wù)測(cè)控通信等基本功能，能使探測(cè)器臨近火星時(shí)應(yīng)時(shí)制動(dòng)減速，從而被火星引力捕獲，使軌道器、著陸器、火星車(chē)分別進(jìn)入預(yù)定位置，開(kāi)展探測(cè)工作，還能將數(shù)據(jù)資料發(fā)回地球且被成功接收。

火星探測(cè)的目標(biāo)和過(guò)程

　　我國(guó)火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)基本上圍繞這幾個(gè)方面：一是探測(cè)火星空間環(huán)境，包括火星大氣；二是通過(guò)光學(xué)遙感探測(cè)火星形貌，看看火星表面長(zhǎng)什么樣；三是通過(guò)光譜等探測(cè)火星土壤元素、礦物成分及巖石類(lèi)型；四是探測(cè)火星土壤結(jié)構(gòu)及水冰，火星表面甚至地下淺層是否有水。
　　在2020年中期的發(fā)射窗口期，我國(guó)將用近地軌道運(yùn)載能力為25噸以上的長(zhǎng)征五號(hào)乙運(yùn)載火箭，從海南文昌航天發(fā)射中心發(fā)射自主研制的火星探測(cè)器。探測(cè)器在霍曼軌道上經(jīng)過(guò)約9個(gè)月的星際航行于2021年抵達(dá)火星。在此期間，需要啟動(dòng)探測(cè)器自身攜帶的變軌發(fā)動(dòng)機(jī)和姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行多次中途軌道修正。當(dāng)探測(cè)器飛抵火星附近時(shí)，必須進(jìn)行近火制動(dòng)。為此，它要適時(shí)調(diào)整姿態(tài)并啟動(dòng)變軌發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，以便實(shí)施火星軌道捕獲。
　　在實(shí)現(xiàn)火星捕獲后，探測(cè)器將進(jìn)入環(huán)繞火星的大橢圓軌道運(yùn)行。再經(jīng)一段時(shí)間的軌道調(diào)整，探測(cè)器最終將進(jìn)入預(yù)定的工作軌道繞飛，并對(duì)火星開(kāi)展為期多年的探測(cè)工作。在探測(cè)器以大橢圓軌道運(yùn)行接近火星的適當(dāng)時(shí)機(jī)，它將釋放著陸器。后者在下降到距離火星一定高度時(shí)立即打開(kāi)降落傘，依靠火星的大氣進(jìn)行減速，隨即軟著陸于預(yù)選的火星表面地點(diǎn)附近。待著陸器穩(wěn)定各項(xiàng)指標(biāo)狀態(tài)正常后，它再展開(kāi)支架讓火星車(chē)滑到星面，按預(yù)定程序經(jīng)過(guò)調(diào)整后火星車(chē)即可開(kāi)始巡視探測(cè)工作。
　　由于我國(guó)火星車(chē)將使用太陽(yáng)能供電，從光照角度考慮，最理想的登陸地點(diǎn)是火星赤道附近，但火星赤道附近地形復(fù)雜，加之登陸火星99%以上的減速是靠大氣，因此著陸點(diǎn)海拔越低減速時(shí)間越長(zhǎng)，登陸越安全。綜合考慮地形復(fù)雜度、高程、光照、溫度等各種條件和因素，火星比較適合著陸點(diǎn)選在北緯5～30度的區(qū)域。當(dāng)然。實(shí)際降落時(shí)會(huì)有一定的可容許的偏差。
　　我國(guó)古代將火星稱為“熒惑”，它曾深深地影響著古人的宇宙觀。探測(cè)火星既可以引領(lǐng)航天技術(shù)的進(jìn)步，又可能獲得新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，從而豐富人類(lèi)對(duì)火星乃至宇宙深空的認(rèn)識(shí)。
　　鏈接2：
　　美國(guó)“火星2020”計(jì)劃
　　美國(guó)“火星2020”計(jì)劃是迄今最先進(jìn)的火星探測(cè)科學(xué)研究計(jì)劃，該計(jì)劃如果順利實(shí)現(xiàn)，將為2030年將人類(lèi)送上火星鋪平道路。預(yù)計(jì)2020年7～9月?lián)駲C(jī)發(fā)射的“火星2020”計(jì)劃的新一代火星車(chē)將搭載7臺(tái)科學(xué)載荷，對(duì)火星進(jìn)行原位探測(cè)，開(kāi)展地質(zhì)評(píng)估，分析火星遠(yuǎn)古生命的跡象及其潛在的宜居性。與此同時(shí)，它還將收集巖石樣品，并將樣品用密封罐儲(chǔ)存起來(lái)，放置于火星表面，待未來(lái)發(fā)射的第二個(gè)火星探測(cè)器將樣品提取并送入軌道，另一個(gè)火星探測(cè)器則“抓取”軌道上的樣品并將其帶回地球。
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