成功率不足一半 人類“探火”為何步步驚心

　　當(dāng)前，備受矚目的多國探測火星行動已經(jīng)陸續(xù)拉開帷幕。受天氣狀況影響，阿聯(lián)酋火星探測器“希望號”將發(fā)射任務(wù)推遲到7月17日進(jìn)行。我國火星探測器“天問一號”目前已經(jīng)運抵文昌航天發(fā)射場，按預(yù)定計劃，發(fā)射將于7月23日左右進(jìn)行。

　　事實上，相對于火星探測而言，人類對月球探測已經(jīng)做了大量嘗試，成績斐然。1959年1月2日，蘇聯(lián)成功發(fā)射“月球一號”，拉開了人類探月的序幕；1969年，美國宇航員阿姆斯特朗登月，他的一小步邁出了人類巨大的飛躍；1994年，美國發(fā)射的“克萊門汀”探測器，獲得了當(dāng)時最詳細(xì)的月球表面圖像，并發(fā)現(xiàn)月球南極可能存在大量水冰；2011年和2013年，美國先后發(fā)射探測器，精確測量了月球重力場，并分析了月球稀薄的大氣組成等；2019年，我國“嫦娥四號”第一次實現(xiàn)人類探測器月球背面著陸和巡視探測。

　　距離人類首次登月已經(jīng)過去了50多年，而火星依舊人跡未至。那么火星探測與月球探測究竟有哪些區(qū)別呢？

　　歷史上火星探測成功率僅43%

　　火星是太陽系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類似的行星之一，一直以來都是人類深空探測的熱點。從60年前，人類就開啟了對火星的探險之旅。

　　1960年10月，蘇聯(lián)向火星先后發(fā)射了兩枚探測器“火星1A”號和“火星1B”號，但可惜的是，“火星1A”號發(fā)射之后第3級火箭點火失敗，僅飛至地面120千米高就報廢了，“火星1B”號的火箭引擎直接爆炸，空中落下的碎片甚至污染了整個拜科努爾發(fā)射場。

　　美國對火星的探索也是開端不利，1964年，剛剛成立不久的美國國家航空航天局(NASA)發(fā)射了“水手3號”火星探測器，當(dāng)穿過地球大氣層時，探測器的一個保護(hù)盾未能推出，結(jié)果所有的探測儀器都沒能打開，美國的第一次嘗試也宣告失敗。

　　1964年10月，美國“火星4號”火星探測器向地球傳回了人類史上第一張有關(guān)火星表面的最近距離的圖像，同時回傳的還有500多萬個比特的科學(xué)信息，可以說這一次任務(wù)開啟了人類空間探索的新時代。

　　然而接下來的幾年，蘇聯(lián)向火星附近發(fā)射探測器又經(jīng)歷了幾次失敗，研制的“火星2號”探測器具備了登陸軌道的能力，但是在著陸過程中正遇上火星表面發(fā)生大規(guī)模塵暴，“火星2號”一頭撞進(jìn)火星上的盆地，本次行動以著陸器墜毀而告終。“火星3號”探測器登陸火星20秒后，就跟地球失去了聯(lián)系。這與1992年NASA的經(jīng)歷相似，“火星觀察者”號進(jìn)入火星軌道后，也很快就失去了聯(lián)系。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，用軌道器探測火星迎來了黃金時代。美國、歐洲航天局相繼成功發(fā)射了火星探測器。印度也加入到火星探索競賽中，發(fā)射了首顆“火星軌道任務(wù)”探測器。然而，人類探測火星

　　的征程并未就此一帆風(fēng)順。2011年，俄羅斯的“火衛(wèi)一—土壤”星際探測器由于發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障，未能將其送入飛往火星的軌道，所搭載的中國火星探測器“螢火一號”也一同宣告“探火”失敗。

　　有數(shù)據(jù)顯示，自1960年以來，美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、日本、歐洲和印度先后進(jìn)行了44次火星探測項目，但成功和部分成功的任務(wù)僅有23次，完全成功率是43%，其余的項目都出現(xiàn)探測器撞毀、失靈或失蹤了。什么是部分成功？全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩在接受科技日報記者采訪時解釋說：“如蘇聯(lián)‘火星3號’探測器，在降落火星后只發(fā)回20秒信號就失聯(lián)了，有專家說成功，也有人說不成功。”

　　也許有人會問，月球探測成功率是不是更高一些？對此，龐之浩表示，月球探測成功率也不算太高，完全成功率約53%，尤其是早期，失敗率也比較高。總體來講，比火星成功率稍微高一些，由于統(tǒng)計方式不同，如對成功和部分成功的理解差異，所以出現(xiàn)有的統(tǒng)計結(jié)果是60%左右，也有統(tǒng)計結(jié)果顯示為50%。

　　跟月球相比火星探測難在哪兒

　　在業(yè)界，火星被稱為“探測器墳場”，其探測難度可想而知。

　　據(jù)龐之浩介紹，火星距離地球最遠(yuǎn)約4億公里，最近也要約5600萬公里，探測器抵達(dá)火星需要飛行這么長的距離，對發(fā)射、軌道、控制、通信、電源、入軌、著陸等技術(shù)都有很高要求。

　　在發(fā)射方面，火箭的運載能力、入軌精度和可靠性是實現(xiàn)火星探測的重要前提。月球探測器進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道的速度為10.9千米/秒。而火星探測器要進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道的速度必須達(dá)到至少第二宇宙速度(11.2千米/秒)才行。因此，發(fā)射同等質(zhì)量的月球探測器和火星探測器時，后者必須用推力更大的火箭，使探測器直接進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，否則就需要消耗探測器自身燃料和更長的飛行時間加速，這會影響到探測器壽命。

　　“火星探測最大的難點是在火星著陸，探測器要經(jīng)歷入軌、下降與著陸過程，這一過程通常被稱為恐怖7分鐘。”龐之浩說，在火星稀薄的大氣環(huán)境下需要用7分鐘將探測器速度從2萬千米/小時降低到零，這需要包括氣動減速、降落傘減速和反推減速等多種減速手段融合實現(xiàn)，每個環(huán)節(jié)都必須精準(zhǔn)無誤，其難度不亞于“在巴黎打一個高爾夫球要落到東京的一個洞里”。

　　龐之浩解釋說，雖然火星大氣密度只有地球的1%，但相比月球著陸，火星著陸時探測器多了一個進(jìn)入大氣層和打開降落傘的環(huán)節(jié)。由于火星大氣層可以起到一定的減速作用，所以著陸減速需要控制得特別精準(zhǔn)，何時進(jìn)入，進(jìn)入的姿態(tài)、角度等都不能有絲毫誤差。然而，現(xiàn)在人類對火星大氣層的了解還比較有限，再加上測控信號延時很長，進(jìn)入火星大氣層前調(diào)整姿態(tài)、角度和速度必須靠探測器自主執(zhí)行。在探測器切入火星軌道過程中，如果切入點離火星過遠(yuǎn)，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，則可能墜毀于火星大氣層。此外，進(jìn)入火星大氣層后，探測器也要自主準(zhǔn)時開傘減速、準(zhǔn)時切傘、準(zhǔn)時拋底、準(zhǔn)時懸停避障、準(zhǔn)時關(guān)機(jī)等，稍有閃失就會導(dǎo)致失敗。

　　由于距離遙遠(yuǎn)，火星探測器飛抵火星軌道需要260—320天，通信也是個大問題。龐之浩說，從地球發(fā)送到火星的無線電信號，單程延時為20分鐘左右。同時，由于距離越遠(yuǎn)，信號就會越弱，再加上宇宙中的噪聲干擾，這對信號收發(fā)技術(shù)是一個非常大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對信號衰減問題，探測器需要裝有高增益、高可靠通信設(shè)備，地面也要有直徑很大的深空測控天線，以免探測器因通信故障而“迷失”。

　　如果前面一切順利，探測器終于在火星上落了腳，但想要順利開展工作也并非易事。龐之浩表示，在月球表面工作，月球車需要度過一個長月夜，一個長月夜相當(dāng)于地球上的14天，溫度最低可達(dá)到零下180攝氏度。而火星上溫差沒那么大，一天也是24小時。但火星上的沙塵暴很大，是地球上12級臺風(fēng)造成影響的6倍，這些飛沙會覆蓋火星車的太陽能電池板，致使其無法正常工作。歷史上，美國第一代和第二代火星車都是受沙塵暴影響而停止工作的。“這就需要充分提高能源的利用率，包括高效太陽能電池技術(shù)及高效蓄電池技術(shù)，提高能源系統(tǒng)功率質(zhì)量比，如太陽能電池板盡量要大一些，光電轉(zhuǎn)換效率要更高。”龐之浩說。

　　本報記者 付麗麗