火星探测的中国之路

目前中国的深空探测仍然通过院士专家向上打报告、提建议的形式，一事一议，逐一论证。而中国需要一个权威机构，对太空探索和航天事业各个领域进行长远、统一的规划，在立项时就对整个太阳系各种主要天体类型有整体考虑

在今年4月公开宣布火星探测任务正式立项之后，仅仅隔了4个月，2016年8月23日，中国就向公众揭开了首辆火星车的庐山真面目，并开始向全球征集火星探测工程名称及图形标识。虽然中国火星探测计划的启动落在了印度与日本后面，但一旦迈开独立探索火星的脚步，就向外界展现出中国速度与非凡决心。

一再推迟的探火计划

留心航天事业发展的人会发现，中国的火星探测计划一直在推迟，而科学家们却对奔向火星揣着一颗“蠢蠢欲动”的心。

2011年，神舟飞船总设计师、工程院院士戚发轫就向外界透露，中国航天界考虑在2013年发射首颗火星探测卫星。当时，他解释说，虽然这并非政府的正式决策，但是航天界已经完全有能力成功发射火星探测卫星。

8月26日，《中国新闻周刊》一拨通戚发轫的电话，这位一直挂记着中国探火计划的航天界重量级人物就显得很兴奋，他表示，这件事总算敲定并有了实际进展。实际上，早在2013年，戚发轫在接受媒体采访时就表态，中国发射火星探测器的时间可能在2015年至2020年间。

对此，刚刚在今年5月首次获得卡尔·萨根奖的中科院国家天文台副研究员郑永春解释说，国内科学界探测火星的起步其实并不晚，从上世纪90年代末就开始酝酿。

根据绕月探测工程首席科学家、中科院院士欧阳自远的回忆，2007年，嫦娥一号月球探测卫星成功发射之后，他就联合探月工程总设计师孙家栋院士及相关领域的其他专家，向有关部门提出建议：嫦娥二号不要去探月了，改为火星探测器。他们曾组织专家进行了可行性论证，结论是，具备在2009年发射火星探测器的条件。很可惜，这一建议未被采纳。

2007年，中国和俄罗斯签署了“萤火一号”合作计划。“萤火一号”搭载俄罗斯“福波斯—土壤”火星探测器，发射任务由2009年推迟到2011年11月，但最终因为“福波斯—土壤”变轨不成功，在地球大气层中坠毁，“萤火一号”计划夭折。后来，中国自主火星计划因各种非技术性原因迟迟未能立项。

另一方面，向火星发射探测器每隔26个月才有一次机会，一旦错过了发射窗口期就需要漫长地等待下一次发射机会。这是因为，理论上说，火星发射的最佳轨道只有一条，即外切于地球公转轨道、内切于火星公转轨道的双切式椭圆轨道，又称为“霍曼轨道”。当太阳、地球、火星处于同一条直线上时，称为相冲，两次相冲间隔的时间叫做会合周期。火星与地球的会合周期为780天，即将近26个月。也就是说，每隔26个月才有一次沿“霍曼轨道”发射火星探测器的窗口期。

根据国际深空探测的发展历程，各国一般在开展首次月球探测后的2～3年内即开展首次火星探测。比中国晚开展月球探测的印度在2013年发射了火星探测器，次年，印度“曼加努安”火星发射探测器成功进入火星轨道，成为继美国、俄罗斯和欧空局后，第4个成功探测火星的国家和地区。

自中国首次探月成功至今已经过去8年多。戚发轫告诉《中国新闻周刊》，探索火星需具备的技术条件最主要的就是运载火箭与测控能力。中国新一代大型运载火箭“长征五号”的近地轨道运载能力达到25吨，目前已研制完毕，今年9月即将上演“首飞秀”。

而与发射“萤火一号”时相比，中国深空测控能力也已大大增强。2012年，中国完成了喀什35米、佳木斯66米两个大型深空测控站，以及上海65米甚长线射电干涉测量站的建设。随着这三大站投入使用，中国深空测控网已正式建成，这将有助于实现对火星探测器的自主测控。

万事俱备只欠一声令下。2016年4月22日，在中国首个航天日举行的发布会上，国防科工局局长、国家航天局局长许达哲终于宣布，中国火星探测任务正式立项。按照计划，中国火星探测器使用“环绕、落地、巡视”一体的设计，将在2020年7月发射，并于2021年抵达火星。

谈到中国火星探测在立项环节的波折，郑永春表示，在深空探测领域，美国的国家航天航空局（NASA）对太阳系的各个天体探测都有长期规划，并有相应的经费比例。然而，目前中国的深空探测仍然通过院士专家向上打报告、提建议的形式，一事一议，逐一论证，这样做往往各部门意见难以协调一致，决策难以出炉。而中国需要一个权威机构，对太空探索和航天事业各个领域进行长远、统一的规划，在立项时就对整个太阳系各种主要天体类型（小行星、彗星、火星、金星、木星等）有整体考虑。

探火最难在着陆

自1960年苏联发射人类首颗火星探测器开始，截至今日，人类共实施了43次火星探测活动，其中取得完全成功和部分成功的共22次，成功率只有约一半。

在技术上，美国已全面掌握火星掠飞、环绕、着陆和巡视勘察技术，取得了火星探测史上多个“第一”，在世界上处于绝对领先地位。在亚洲，日本只实现了火星掠飞，未进入绕火星轨道。印度掌握了环绕探测技术，是亚洲第一个成功实现火星环绕探测的国家。

在此形势下，中国在世界上首次提出，火星探测要一次完成“绕、落、巡”三项任务。欧阳自远2015年发表在《太空探索》上的一段话是中国做出这一决策的最好注脚：我国火星探测任务必须坚持在较高的起点开展，才能尽量缩小与国外先进水平的差距，同时，要具有创新性。早期的火星探测大多从环绕探测起步，逐渐发展到环绕和着陆探测相结合，近年来已经发展到以巡视探测为主的阶段。随着我国航天技术的进步和对火星表面了解程度的加深，直接跳过单纯环绕探测阶段，将环绕探测与巡视探测相结合，是我国高起点开展火星探测的理性选择。

与探月相比，探测火星有很多新的难点，比如距离问题。火星距离地球最近约为5500万千米，最远则超过4亿多千米。月球与地球的距离最近为36.2万千米，最远40.6万千米。月球探测器发射后几天就可到达，而到达火星则需要6～10个月。由于距离遥远，向火星发信号至少需要15分钟才能到，信号返回还需要同样的时间，距离带来通信和测控问题。因此，探火比探月麻烦。

火星探测器分成环绕器、着陆器与巡视器三大部分，其中巡视器（即火星车）包含在着陆器里面。当火星环绕器携带着陆巡视器运行到预定区域上空时，将与着陆巡视器分离。当着陆巡视器降落在火星表面后，火星车才会启动并驶离着陆平台，开始火星表面的巡视探测任务。

中国航天科工集团二院二部研究员、国际宇航联空间运输委员会委员杨宇光在接受《中国新闻周刊》采访时表示，就环绕而言，中国在成功发射嫦娥二号之后，就已经具备了环绕火星的技术能力，环绕的成功率是比较大的。而在着陆环节，欧空局之前的火星着陆尝试失败了，国际上实施火星着陆唯一比较成功的就是美国。虽然中国此前成功进行了月球着陆，但月球与火星上的条件相差很远，火星着陆对中国来说可以说是一次全新尝试，因此，此次火星探测风险较大的就是着陆环节。

杨宇光举例说，月球上是完全真空，着陆器的设计条件比较简单，只要能量足够，软着陆就可以。而火星上有大气，其密度是地球的百分之一，当着陆器以一个很高的相对速度降落火星时，会与大气摩擦，产生很多热量。在一般地球轨道卫星或者真空中运行的航天器上，大多使用看起来金灿灿的热控材料。为克服火星大气产生的热量，这次着陆器使用的热控材料就是新型的保温材料纳米气凝胶。这种材料很轻，有非常好的隔热性能。

另一方面，火星大气的密度又不足够高，无法使着陆器减到足够低的速度，因此光靠降落伞是没法着陆的，必须依靠气动外形减速、降落伞减速与反推发动机减速三者结合起来才能完成。因此，火星大气对于着陆来说是“高不成，低不就”，两头都带来了新的困难。

“航天工程的设计不怕难，不怕复杂，就怕未知的、不确定的风险。我们应该有这样的心理预期，不见得能够一次性完成。但一次航天试验不可能都是成熟的东西，总要有新的尝试。”杨宇光表示。

至于火星车，最大的难度是自主性要求高，因为地火距离远大于地月距离，无法完全靠地面干预。不过，火星车在技术上与探月的玉兔号类似，有后者做基础，且火星的条件要比月球好，因此巡视的难度要比着陆容易一些。由于火星有稀薄的大气层，火星表面的日温差没有月球那么大。月球上昼夜温差起伏很大：赤道周围白天温度可高至100℃，夜晚又可低至-180℃。而火星的平均温度与地球相差不大，在赤道区的昼夜温度在20℃至-80℃之间，而最寒冷的极区的温度变化范围是-70℃至-140℃。月球昼夜将近28天，火星一昼夜比地球一昼夜稍长，为24小时37分22.6秒，接近地球的一天。

在地形方面，火星地表高差虽然比较大，但表面的撞击坑没有月球上的多，平坦的地方多，着陆环境比月球优越。嫦娥三号降落的地方4千米×4千米的范围内有1万多个几米到几百米的撞击坑，很难落脚。火星和月球表面虽然都没有液态水，但火星上有河道和干涸的湖泊，火星北半球曾经是辽阔的海洋，整体环境比月球好。

探火的终极目标

据官方公布的信息，火星车重约200公斤，比探月的玉兔号重100公斤，设计寿命是三个火星月，相当于地球上的92天。在此期间，火星车面临能源、保温及对地通信三大生存问题。中科院院士、火星探测器系统顾问叶培建此前对媒体介绍说，科研人员为火星车设计了四个面积较大的太阳翼，如同四扇翅膀，可收集足够的太阳能，以供夜间保暖。此外，火星上局部和全球性的沙尘暴也将为火星车在火星表面上的巡视带来困难，包括设计自主休眠和唤醒功能等。

火星车驶离着陆平台后，将探测火星的形貌、土壤、环境、大气，研究火星上的水冰分布、物理场和内部结构。为此，火星车搭载了13台（套）科学载荷，包括不同分辨率的火星遥感相机，进行火星浅层结构探测的浅层雷达等。

去年大热的科幻电影《火星救援》形象逼真地展示了火星上的生存环境，并暗示人们：在火星上生存或许并非天方夜谭。实际上，移民火星，正是人类探索火星的原动力之一。毕竟，火星是目前科学家勘探到的环境最接近地球的星球。如果要寻找另外一个适合人类居住的第二栖息地，火星肯定是第一候选。

中国人也对火星充满期待。欧阳自远曾在多年前写过一本科普著作《再造一个地球：人类移民火星之路》。他相信，人类只要下决心，经过2～3个世纪的不懈努力，就一定能实现这个梦想。

尽管火星移民看起来还很遥远，人类当下对火星的探测，并非只是一项耗资巨大而没有实际意义的太空探险。在整个太阳系，只有金星与火星跟地球距离最近。科学界有这样一个分析，地球的未来要么像金星那样，要么和火星类似。因此，研究火星的演化，可以帮助人类更好地研究生命的起源、地球的演变与未来发展。而人类之所以对研究火星的兴趣更大，可能还有一个实际因素：金星上非常热，有400多度的高温，90多倍的地球大气压，所以人类在金星上基本不可能实现载人登陆，也不可能在那里生存。

杨宇光表示，中国探测火星还有更加实际的作用。火星的条件和月球不一样，探火所需要的工程技术与探月也不一样。通过解决这些工程问题，可以带动国家的科技发展。

美国阿波罗计划就是很好的例子。该工程投资254亿美元（相当于现在的1360亿美元），是当时世界上规模最大、耗资最多的科技项目之一。参加阿波罗计划的有2万家企业、200多所大学、80多个科研机构，总人数超过40万人。它的出现，导致上世纪60至70年代产生了液体燃料火箭、微波雷达、无线电制导、合成材料、计算机等一大批高科技工业群体。后来，美国又将该计划中取得的技术进步成果向民用转移，带动了整个科技的发展与工业的繁荣。阿波罗计划派生出了大约3000种应用技术成果，据测算，投入产出比为1：14，是一项成功推动科技进步并获得巨大政治与经济效益的计划。

“除了月球之外，中国完全有能力探测整个太阳系。”欧阳自远曾这样明确表态。郑永春则表示，除了继续探索月球与火星，下一步小行星或许也将进入到中国航天计划的视野范围内。