美"洞察"號火星探測器將著陸 人類探測火星有多難?

　　2018年11月22日 10:43 新浪科技綜合

　
　　

　　「洞察「號採用降落傘+緩衝發動機反推+著陸腿的方式在火星著陸示意圖

　　來源：猜你會好奇  作者：龐之浩

　　新聞背景

　　經過逾6個月的飛行，美國「洞察」號火星探測器終於將在2018年11月26日在火星著陸。然而，它要經歷「恐怖的7分鐘」，能否成功還是個未知數。

　　像其它火星著陸器一樣，「洞察」號整個任務分為發射、巡航、進入下降和著陸（EDL）、表面操作等四個階段，其中風險最大的就是進入下降和著陸階段，不少火星探測器都是在這一階段陣亡的。

　　路途漫漫環境險惡  

　　

　　失落太空的美國「火星觀察者」探測器

　　至今，人類已發射了40多個火星探測器，成功率約50%，所以火星被稱為「探測器墳場」或「死亡星球」。其主要原因是火星距地球遙遠，探測器要飛幾億千米才能到達火星，所以對發射、軌道、控制、通信和電源等不少技術都提出了很高的要求。

　　例如，運載火箭的運載能力、入軌精度和可靠性是火星探測的重要前提，最好用大推力運載火箭把探測器加速到11.2千米/秒的第二宇宙速度，直接進入地火轉移軌道飛往火星，否則需要消耗探測器自身燃料和較多的飛行時間來加速，從而會影響探測器壽命。印度就是由於運載火箭推力小，所以其首個火星探測器多花了很多時間和燃料才抵達火星。2020年，我國將用長征5號新一代大型運載火箭發射首個火星探測器。

　　通信問題也不是易事。從地球發送到火星的無線電信號延時很長，單程需要20分鐘左右，因此火星探測器需有較強的自主控制能力；另外，由於信號的強度與距離的平方成反比，而火星距地球太遙遠，所以它需要裝有高增益、高可靠通信設備，以及必須擁有天線直徑很大的地面深空測控網。天線的直徑和探測距離成正比，增大天線口徑可以增加探測距離。即使這樣，還是有不少火星探測器因通信故障而失落在太空。例如，1992年9月25日發射的美國「火星觀測者」軌道器，它在1993年8月21日即將進入火星軌道之前失去通信聯繫。

　　由於路途漫漫，所以火星探測器在飛往火星的途中要進行比月球探測器次數更多、更精確的軌道修正，才能準確地飛到火星。如果火星探測器在地火轉移軌道近地點有1米/秒的速度誤差或1千米的高度誤差，飛到火星附近時都將產生10萬千米的位置誤差。軌道修正是通過分佈在地球表面的深空測控網實現的。該網常由3個在全球彼此相隔120°的地面通信站組成，天線直徑達64~70米。美國「勇氣」號火星車在降落在火星表面前，先後修正了4次航線。

　　因為火星探測器遠離太陽，它所受到的太陽輻射強度大大減弱，所以火星探測器的太陽電池翼性能必須很高。如果使用核電源，則要解決安全性問題。

　　也要注意太陽風暴的影響。日本首個火星探測器「希望」號原定於2003年12月14日進入火星軌道，但是由於其電路系統在2003年底受太陽風暴的影響而出現故障，結果使變軌發動機無法啟動，最終導致探測器不能切入火星軌道而告失敗。

　　火星環境複雜、惡劣也是造成火星探測器經常「陣亡」的主要原因。火星大氣密度只有地球大氣密度的1%，因而輻射嚴重。火星上的沙塵暴也很大，有時是地球上12級颱風的6倍，時間可達半年，今年美國「機遇」號火星車就是因沙塵暴而停止工作，現在還不知能否可以復活。

　　著陸火星難上加難

　　

　　「好奇」號通過降落傘和空中起重機方式在火星表面著陸

　　探測器進入火星軌道的難度被比喻為從巴黎打一個高爾夫球，正好落到東京的某個球洞里。這是由於通信延時很長，所有數據都要提前注入。在探測器切入火星軌道過程中，如果切入點離火星過遠，則不能被火星的引力捕獲而掠過火星；如果切入點離火星太近，則可能墜毀於火星大氣層。

　　如果探測器要在火星表面著陸，其難度就更大了。因為在探測器進入火星大氣時離地球很遠，遙測和遙控信號比較微弱；另外，當探測器運動到火星背面時，地球上無法準確地確定其軌道參數，這就給再入高度的選擇帶來困難。由於受通信延時的影響，所以在火星著陸的全過程中，一切都要靠探測器自主進行。

　　進入火星大氣層后，探測器防熱措施如何，降落傘、氣囊和緩衝火箭等能否按程序工作，都至關重要，必須非常精確，整個過程要經歷所謂的「恐怖7分鐘」。

　　所以，探測器在火星著陸的技術十分複雜，每個環節都不能有閃失。許多探測器都因此功虧一簣。例如，1999年9月23日，美國「火星氣候」軌道器在即將進入預定軌道前燒毀，原因是在軌道切入操作中，由於英制和公制單位的混淆而造成導航誤差，使其飛離火星太近而燒毀。

　　原定1999年12月3日在火星著陸的美國「火星極區」著陸器也下落不明。它是在即將登陸火星表面時，由於軟體錯誤導致其起減速作用的火箭發動機過早關閉，最終撞毀。

　　2003年12月，歐洲「獵兔犬2」號著陸器與「火星快車」軌道器分離后，準備在火星表面著陸時失蹤了，這是由於「獵兔犬2」號著陸后太陽電池板沒有完全展開，所以「獵兔犬2」號因沒有電而與外界失聯。

　　2016年10月20日，歐洲「火星生物學-2016」中的「夏帕雷利」進入、降落和著陸演示器在著陸前與地面失去了聯繫，原因由一個僅一秒的計算失誤所致，提前將降落傘與防熱罩分離，導致「夏帕雷利」硬著陸而撞毀。

　　著陸方式各有千秋

　　

　　「低密度超聲速減速器」升空進行大型火星探測器軟著陸試驗

　　目前，探測器在火星軟著陸方式主要有三種，每種方案都各有優缺點。

　　一是氣囊彈跳式。這種方式比較簡單，成本低，但只能滿足重量小的探測器軟著陸要求，且著陸精度不高。美國「火星探路者」、「火星漫遊者」（「勇氣」號和「機遇」號火星車）都採用降落傘+氣囊彈跳方式。

　　二是反推著陸腿式。這種方式複雜一些，成本高，可滿足重量較大的探測器軟著陸要求，著陸精度較高。美國「海盜」號、「鳳凰」號、「洞察」號和歐洲的「獵兔犬2」號、「夏帕雷利」都採用降落傘+緩衝發動機反推+著陸腿方式。

　　三是空中起重機式。這種方式最為複雜，成本最高，技術最先進，可滿足重量更大的探測器軟著陸要求，能精確著陸。攜帶「好奇」號火星車的美國「火星科學實驗室」採用降落傘+緩衝發動機反推+空中起重機方式。

　　至今，所有的火星著陸器全部採用剛性減速器和「盤-縫-帶」降落傘的減速方案來完成超聲速減速工作。2012年在火星表面實現軟著陸的「好奇」號火星車是至今質量最大的火星著陸器，達960千克。「好奇」號已把剛性減速器和「盤-縫-帶」降落傘這項減速技術所能承受的重量推到極限，而未來的載人火星任務涉及的重量將達到20噸以上。

　　在進入火星大氣層過程中，由於火星大氣的密度只有地球的1%，而載人火星飛船重量又大增，因此現有的3種著陸方式都無法保證大質量航天器安全軟著陸。為了完成未來的載人登陸火星任務，美國正在積極研製新的火星著陸裝置——「低密度超聲速減速器」。當著陸器以大約3.5馬赫的速度進入火星大氣時，該裝置能像夏威夷氣鼓魚一樣迅速充氣，以增加表面積，進而增加空氣阻力，使著陸器的速度減至2馬赫。此時，直徑33米的巨型超聲速環帆降落傘打開，幫助火星著陸器安全著陸。

　　

　　火星探測前景廣

　　儘管探測火星技術難度很大，但隨著技術和經濟的發展，現在探測火星的國家越來越多。因為火星是離地球最近的類地行星，具備了生命存在的必要條件，並有可能成為人類未來移民的理想星球。

　　目前，在火星軌道上工作的探測器有美國的「火星勘測」軌道器、「火星大氣與揮發物演變」、2顆「火星立方1號」，歐洲的「火星快車」和「微量氣體」軌道器，印度的「曼加里安」；在火星表面工作的有美國「好奇」號火星車，「洞察」號也即將著陸。「洞察」號是第一個探測火星深層的航天器，將通過傾聽火星地震和測量它的熱量輸出來研究火星的內部結構，揭示岩質行星的形成，填補火星地球物理空白，更好地了解其他岩石行星（包括地球）是如何誕生的。

　　2020年，美國將發射新的火星車。它使用「好奇」號火星車成熟的平台，但配置了更先進的探測儀器，對火星表面進行進一步考察。此後，美國還將實施火星採樣返回任務，最終在2035年左右進行首次載人登火星。

　　2020年，歐俄將聯合發射「火星生物學-2020」火星車，用於搜尋生命跡象。它將成為首個能在火星上鑽探地下2米深的巡視探測器，採集不受輻射和氧化劑破壞的樣品，然後把採集的灰塵樣本返回地球進行分析，從而分析火星是否具備維持生命存活的重要元素。

　　2020年，我國將首次發射第一個火星探測器，率先在世界實現通過一次發射完成「繞、著、巡」三項任務的壯舉，獲取自主火星探測科學數據，實現深空探測技術的跨越。2028年，我國還將實施火星採樣返回任務。



　　2018年11月22日 10:43 新浪科技綜合

　
　　

　　「洞察「號採用降落傘+緩衝發動機反推+著陸腿的方式在火星著陸示意圖

　　來源：猜你會好奇  作者：龐之浩

　　新聞背景

　　經過逾6個月的飛行，美國「洞察」號火星探測器終於將在2018年11月26日在火星著陸。然而，它要經歷「恐怖的7分鐘」，能否成功還是個未知數。

　　像其它火星著陸器一樣，「洞察」號整個任務分為發射、巡航、進入下降和著陸（EDL）、表面操作等四個階段，其中風險最大的就是進入下降和著陸階段，不少火星探測器都是在這一階段陣亡的。

　　路途漫漫環境險惡  

　　

　　失落太空的美國「火星觀察者」探測器

　　至今，人類已發射了40多個火星探測器，成功率約50%，所以火星被稱為「探測器墳場」或「死亡星球」。其主要原因是火星距地球遙遠，探測器要飛幾億千米才能到達火星，所以對發射、軌道、控制、通信和電源等不少技術都提出了很高的要求。

　　例如，運載火箭的運載能力、入軌精度和可靠性是火星探測的重要前提，最好用大推力運載火箭把探測器加速到11.2千米/秒的第二宇宙速度，直接進入地火轉移軌道飛往火星，否則需要消耗探測器自身燃料和較多的飛行時間來加速，從而會影響探測器壽命。印度就是由於運載火箭推力小，所以其首個火星探測器多花了很多時間和燃料才抵達火星。2020年，我國將用長征5號新一代大型運載火箭發射首個火星探測器。

　　通信問題也不是易事。從地球發送到火星的無線電信號延時很長，單程需要20分鐘左右，因此火星探測器需有較強的自主控制能力；另外，由於信號的強度與距離的平方成反比，而火星距地球太遙遠，所以它需要裝有高增益、高可靠通信設備，以及必須擁有天線直徑很大的地面深空測控網。天線的直徑和探測距離成正比，增大天線口徑可以增加探測距離。即使這樣，還是有不少火星探測器因通信故障而失落在太空。例如，1992年9月25日發射的美國「火星觀測者」軌道器，它在1993年8月21日即將進入火星軌道之前失去通信聯繫。

　　由於路途漫漫，所以火星探測器在飛往火星的途中要進行比月球探測器次數更多、更精確的軌道修正，才能準確地飛到火星。如果火星探測器在地火轉移軌道近地點有1米/秒的速度誤差或1千米的高度誤差，飛到火星附近時都將產生10萬千米的位置誤差。軌道修正是通過分佈在地球表面的深空測控網實現的。該網常由3個在全球彼此相隔120°的地面通信站組成，天線直徑達64~70米。美國「勇氣」號火星車在降落在火星表面前，先後修正了4次航線。

　　因為火星探測器遠離太陽，它所受到的太陽輻射強度大大減弱，所以火星探測器的太陽電池翼性能必須很高。如果使用核電源，則要解決安全性問題。

　　也要注意太陽風暴的影響。日本首個火星探測器「希望」號原定於2003年12月14日進入火星軌道，但是由於其電路系統在2003年底受太陽風暴的影響而出現故障，結果使變軌發動機無法啟動，最終導致探測器不能切入火星軌道而告失敗。

　　火星環境複雜、惡劣也是造成火星探測器經常「陣亡」的主要原因。火星大氣密度只有地球大氣密度的1%，因而輻射嚴重。火星上的沙塵暴也很大，有時是地球上12級颱風的6倍，時間可達半年，今年美國「機遇」號火星車就是因沙塵暴而停止工作，現在還不知能否可以復活。

　　著陸火星難上加難

　　

　　「好奇」號通過降落傘和空中起重機方式在火星表面著陸

　　探測器進入火星軌道的難度被比喻為從巴黎打一個高爾夫球，正好落到東京的某個球洞里。這是由於通信延時很長，所有數據都要提前注入。在探測器切入火星軌道過程中，如果切入點離火星過遠，則不能被火星的引力捕獲而掠過火星；如果切入點離火星太近，則可能墜毀於火星大氣層。

　　如果探測器要在火星表面著陸，其難度就更大了。因為在探測器進入火星大氣時離地球很遠，遙測和遙控信號比較微弱；另外，當探測器運動到火星背面時，地球上無法準確地確定其軌道參數，這就給再入高度的選擇帶來困難。由於受通信延時的影響，所以在火星著陸的全過程中，一切都要靠探測器自主進行。

　　進入火星大氣層后，探測器防熱措施如何，降落傘、氣囊和緩衝火箭等能否按程序工作，都至關重要，必須非常精確，整個過程要經歷所謂的「恐怖7分鐘」。

　　所以，探測器在火星著陸的技術十分複雜，每個環節都不能有閃失。許多探測器都因此功虧一簣。例如，1999年9月23日，美國「火星氣候」軌道器在即將進入預定軌道前燒毀，原因是在軌道切入操作中，由於英制和公制單位的混淆而造成導航誤差，使其飛離火星太近而燒毀。

　　原定1999年12月3日在火星著陸的美國「火星極區」著陸器也下落不明。它是在即將登陸火星表面時，由於軟體錯誤導致其起減速作用的火箭發動機過早關閉，最終撞毀。

　　2003年12月，歐洲「獵兔犬2」號著陸器與「火星快車」軌道器分離后，準備在火星表面著陸時失蹤了，這是由於「獵兔犬2」號著陸后太陽電池板沒有完全展開，所以「獵兔犬2」號因沒有電而與外界失聯。

　　2016年10月20日，歐洲「火星生物學-2016」中的「夏帕雷利」進入、降落和著陸演示器在著陸前與地面失去了聯繫，原因由一個僅一秒的計算失誤所致，提前將降落傘與防熱罩分離，導致「夏帕雷利」硬著陸而撞毀。

　　著陸方式各有千秋

　　

　　「低密度超聲速減速器」升空進行大型火星探測器軟著陸試驗

　　目前，探測器在火星軟著陸方式主要有三種，每種方案都各有優缺點。

　　一是氣囊彈跳式。這種方式比較簡單，成本低，但只能滿足重量小的探測器軟著陸要求，且著陸精度不高。美國「火星探路者」、「火星漫遊者」（「勇氣」號和「機遇」號火星車）都採用降落傘+氣囊彈跳方式。

　　二是反推著陸腿式。這種方式複雜一些，成本高，可滿足重量較大的探測器軟著陸要求，著陸精度較高。美國「海盜」號、「鳳凰」號、「洞察」號和歐洲的「獵兔犬2」號、「夏帕雷利」都採用降落傘+緩衝發動機反推+著陸腿方式。

　　三是空中起重機式。這種方式最為複雜，成本最高，技術最先進，可滿足重量更大的探測器軟著陸要求，能精確著陸。攜帶「好奇」號火星車的美國「火星科學實驗室」採用降落傘+緩衝發動機反推+空中起重機方式。

　　至今，所有的火星著陸器全部採用剛性減速器和「盤-縫-帶」降落傘的減速方案來完成超聲速減速工作。2012年在火星表面實現軟著陸的「好奇」號火星車是至今質量最大的火星著陸器，達960千克。「好奇」號已把剛性減速器和「盤-縫-帶」降落傘這項減速技術所能承受的重量推到極限，而未來的載人火星任務涉及的重量將達到20噸以上。

　　在進入火星大氣層過程中，由於火星大氣的密度只有地球的1%，而載人火星飛船重量又大增，因此現有的3種著陸方式都無法保證大質量航天器安全軟著陸。為了完成未來的載人登陸火星任務，美國正在積極研製新的火星著陸裝置——「低密度超聲速減速器」。當著陸器以大約3.5馬赫的速度進入火星大氣時，該裝置能像夏威夷氣鼓魚一樣迅速充氣，以增加表面積，進而增加空氣阻力，使著陸器的速度減至2馬赫。此時，直徑33米的巨型超聲速環帆降落傘打開，幫助火星著陸器安全著陸。

　　

　　火星探測前景廣

　　儘管探測火星技術難度很大，但隨著技術和經濟的發展，現在探測火星的國家越來越多。因為火星是離地球最近的類地行星，具備了生命存在的必要條件，並有可能成為人類未來移民的理想星球。

　　目前，在火星軌道上工作的探測器有美國的「火星勘測」軌道器、「火星大氣與揮發物演變」、2顆「火星立方1號」，歐洲的「火星快車」和「微量氣體」軌道器，印度的「曼加里安」；在火星表面工作的有美國「好奇」號火星車，「洞察」號也即將著陸。「洞察」號是第一個探測火星深層的航天器，將通過傾聽火星地震和測量它的熱量輸出來研究火星的內部結構，揭示岩質行星的形成，填補火星地球物理空白，更好地了解其他岩石行星（包括地球）是如何誕生的。

　　2020年，美國將發射新的火星車。它使用「好奇」號火星車成熟的平台，但配置了更先進的探測儀器，對火星表面進行進一步考察。此後，美國還將實施火星採樣返回任務，最終在2035年左右進行首次載人登火星。

　　2020年，歐俄將聯合發射「火星生物學-2020」火星車，用於搜尋生命跡象。它將成為首個能在火星上鑽探地下2米深的巡視探測器，採集不受輻射和氧化劑破壞的樣品，然後把採集的灰塵樣本返回地球進行分析，從而分析火星是否具備維持生命存活的重要元素。

　　2020年，我國將首次發射第一個火星探測器，率先在世界實現通過一次發射完成「繞、著、巡」三項任務的壯舉，獲取自主火星探測科學數據，實現深空探測技術的跨越。2028年，我國還將實施火星採樣返回任務。