在上一期節(jié)目中，我們提到，火星探測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)很高，而中國(guó)的首次火星探測(cè)器使用復(fù)雜的繞落巡設(shè)計(jì)，更是提高了任務(wù)失敗的可能?；鹦?strong>繞落巡的方案屬于中國(guó)首創(chuàng)，以前還沒(méi)有其他國(guó)家在一次火星探測(cè)任務(wù)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)繞和著陸巡視探測(cè)。雖然環(huán)繞、著陸和巡視合一的設(shè)計(jì)有利于使用有限的經(jīng)費(fèi)獲得更多的成果，但也帶來(lái)了更大的難度和復(fù)雜度。那么，中國(guó)此次的火星探測(cè)項(xiàng)目究竟會(huì)如何發(fā)展呢？?

　　傳統(tǒng)火星探測(cè)的固有難度自不必說(shuō)，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)增加了著陸和巡視探測(cè)，其中最困難的部分就是穿越火星大氣的下降和著陸過(guò)程。由于距離遙遠(yuǎn)，這個(gè)過(guò)程地面根本無(wú)法實(shí)時(shí)控制，只能由著陸器完全自主完成。美國(guó)的好奇號(hào)火星車(chē)就將這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“恐怖7分鐘”。?

　　火星探測(cè)器總設(shè)計(jì)師孫澤州表示，他最擔(dān)憂(yōu)的就是火星極為不確定的大氣情況。中國(guó)尚未開(kāi)展火星探測(cè)，雖然有國(guó)外公開(kāi)的論文和數(shù)據(jù)，但對(duì)火星大氣密度和組成、火星大氣變化規(guī)律和火星風(fēng)暴特征等因素仍然缺乏深入了解，實(shí)現(xiàn)成功降落的難度可想而知。中國(guó)的嫦娥三號(hào)成功實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸，但月球和火星軟著陸有著巨大的區(qū)別，也與載人飛船或是返回式衛(wèi)星的地球軟著陸大相徑庭。?

　　根據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道，中國(guó)的火星探測(cè)器著陸登陸火星需要經(jīng)過(guò)四個(gè)階段：熱盾氣動(dòng)外形減速、超音速降落傘減速、反推發(fā)動(dòng)機(jī)工作減速和著陸腿緩沖吸能。這與美國(guó)近些年的火星著陸探測(cè)有明顯區(qū)別，倒是與最早的海盜號(hào)著陸器非常相似。火星著陸的前兩個(gè)階段，由于火星重力和大氣與地球不同，很難在地面模擬；后兩個(gè)階段與嫦娥三號(hào)的月面軟著陸相似，但也僅僅是相似。?

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，火星是一顆質(zhì)量較大擁有稀薄大氣層的行星，這是火星軟著陸最大的麻煩所在。由于火星環(huán)繞速度大又存在大氣層，火星軟著陸無(wú)法像月球軟著陸那樣不考慮防熱，也就是必須考慮氣動(dòng)外形的因素。一般都要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)熱盾外形，這與地球軟著陸較為相似；火星大氣又非常稀薄，減速效率遠(yuǎn)不如地球大氣層，地球上飛船和返回式衛(wèi)星都使用亞音速下打開(kāi)的降落傘即可，而火星著陸器使用的都是超音速降落傘，而且為了保證安全，基本都選擇低海拔地區(qū)著陸。?

　　不僅如此，火星大氣環(huán)境也相當(dāng)復(fù)雜，尤其是不時(shí)出現(xiàn)的風(fēng)暴更是增加了著陸的難度。蘇聯(lián)的火星二號(hào)探測(cè)器的著陸器，就是一頭扎進(jìn)火星的沙塵暴里，結(jié)果導(dǎo)致著陸失敗。中國(guó)的首顆火星探測(cè)器進(jìn)入火星軌道后再施放著陸器，也算是總體方案激進(jìn)的大背景下，細(xì)節(jié)上借鑒海盜號(hào)和火星二號(hào)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)偏向保守的設(shè)計(jì)。?

　　2020年是一個(gè)火星探測(cè)的熱門(mén)年份，不僅中印的探測(cè)器發(fā)射飛向火星，美國(guó)的2020年火星車(chē)、俄歐聯(lián)合的地外火星車(chē)、阿聯(lián)酋的希望號(hào)探測(cè)器屆時(shí)也將發(fā)射升空，中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)將吸引更多的關(guān)注帶來(lái)更大的影響，就更不能為了提高首次任務(wù)的成功率簡(jiǎn)化火星探測(cè)器設(shè)計(jì)了。?

　　火星探測(cè)與月球探測(cè)有很大的區(qū)別，遙遠(yuǎn)的距離和稀薄的大氣層，以及崎嶇的地形和惡劣的環(huán)境，都帶來(lái)了不同的挑戰(zhàn)。中國(guó)在月球探測(cè)上取得了巨大的成功，為了提高航天工業(yè)的技術(shù)水平，進(jìn)一步開(kāi)展火星探測(cè)是理所當(dāng)然的。?

　　環(huán)繞火星的軌道器并沒(méi)有太大技術(shù)難度，葉培建等科學(xué)家曾提出使用嫦娥二號(hào)環(huán)繞探測(cè)火星的構(gòu)想，一個(gè)試驗(yàn)性的火星軌道器除了獲得加入探測(cè)火星俱樂(lè)部的虛名，在國(guó)家聲望和科學(xué)探索上都不會(huì)有太大的價(jià)值，這也是中國(guó)航天五院和八院早期的自主火星探測(cè)方案中，分別增加了試驗(yàn)著陸器和撞擊穿透器的根本原因。?

　　既然要借著火星探測(cè)的東風(fēng)提高中國(guó)航天深空探測(cè)能力和水平，那么一個(gè)更為先進(jìn)和復(fù)雜的環(huán)繞、著陸和巡視器，自然是更好的選擇。?

　　話(huà)說(shuō)回來(lái)，繞落巡一體的設(shè)計(jì)看似十分激進(jìn)，但仔細(xì)分析跨度并不是太大：火星軌道器對(duì)今天的中國(guó)航天來(lái)說(shuō)不是什么問(wèn)題；火星著陸器的預(yù)研也一直在進(jìn)行，且不說(shuō)2011年就已經(jīng)進(jìn)行過(guò)的氣囊緩沖試驗(yàn)，在2016年3月航天報(bào)又報(bào)道了五院508所的超音速降落傘風(fēng)洞試驗(yàn)；至于火星巡視器，玉兔號(hào)月球車(chē)面對(duì)的月球環(huán)境溫差要比火星苛刻的多，做一個(gè)能用的火星巡視器同樣不是太大的難題。?

　　不過(guò)，孫澤州總設(shè)計(jì)師也表示，中國(guó)火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)還沒(méi)有最終確定，但基本集中在幾個(gè)方面。這個(gè)表態(tài)道盡了中國(guó)深空探測(cè)中工程技術(shù)優(yōu)先，科學(xué)探索搭便車(chē)的尷尬。如果中國(guó)發(fā)射類(lèi)似印度曼加里安或是阿聯(lián)酋希望號(hào)那樣的火星環(huán)繞軌道器，首次任務(wù)缺乏經(jīng)驗(yàn)，載荷性能恐怕也不盡人意。?

　　美國(guó)從海盜號(hào)開(kāi)始，發(fā)射了為數(shù)不少的火星著陸器和火星車(chē)，但火星還是有太多的地方充滿(mǎn)未知和機(jī)遇。例如，美國(guó)航天局規(guī)劃的2020火星車(chē)已經(jīng)預(yù)選了8個(gè)著陸區(qū)，但這部火星車(chē)只能探測(cè)一個(gè)地點(diǎn)，其他具備同等級(jí)科研價(jià)值的7個(gè)區(qū)域只能放棄。中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的火星車(chē)重量和科學(xué)儀器水平都向機(jī)遇號(hào)火星車(chē)看齊，與好奇號(hào)和火星2020有很大差距，但仍有希望獲得新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。?

　　從這個(gè)意義上說(shuō)，中國(guó)首次火星探測(cè)技術(shù)上最大的難點(diǎn)在于著陸，而最有科學(xué)價(jià)值的部分在于巡視探測(cè)，這個(gè)結(jié)合環(huán)繞著陸和巡視的火星探測(cè)方案，兼顧了經(jīng)費(fèi)投資、工程技術(shù)和科研任務(wù)，雖然存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，但也是目前形勢(shì)下最好的選擇。?

　　中國(guó)的月球探測(cè)計(jì)劃循序漸漸的繞落回三步走給人留下了深刻印象，中國(guó)航天和中科院早期的規(guī)劃中，火星探測(cè)同樣打算謹(jǐn)慎地進(jìn)行繞落回三步走，但隨著技術(shù)和能力的提高，火星環(huán)繞和著陸探測(cè)已經(jīng)合二為一，于是三步走也就成了兩步走，首次火星探測(cè)繞落巡任務(wù)之后，中國(guó)將進(jìn)行空前難度的火星取樣返回任務(wù)。?

　　火星取樣返回任務(wù)是火星無(wú)人探測(cè)皇冠上的明珠，它不僅具有極高的技術(shù)難度，花費(fèi)同樣不菲。美國(guó)從20世紀(jì)60年代以來(lái)進(jìn)行火星飛掠、火星環(huán)繞、火星著陸和火星車(chē)巡視探測(cè)，但在火星取樣返回任務(wù)上仍然充滿(mǎn)挑戰(zhàn)，而目前估算的高達(dá)50億－90億美元的任務(wù)開(kāi)支，讓美國(guó)航天局也不得不拉上歐空局聯(lián)合進(jìn)行。?

　　中國(guó)航天打算挑戰(zhàn)火星取樣返回這樣的旗艦級(jí)任務(wù)，可不僅僅是勇氣可嘉，而是認(rèn)真開(kāi)展了各種預(yù)研準(zhǔn)備工作。?

　　2015年中國(guó)火星取樣返回的論文中，甚至直接借用了嫦娥五號(hào)的概念，使用一個(gè)330千克的鐘形返回艙攜帶火星樣品返回。至于火星取樣返回任務(wù)的火星著陸和取樣技術(shù)，也在2020年火星繞落巡任務(wù)中得到驗(yàn)證。?

　　如果2020年火星繞落巡探測(cè)任務(wù)進(jìn)展順利的話(huà)，中國(guó)有望和美歐同步開(kāi)展火星取樣返回任務(wù)，這將使中國(guó)的火星探測(cè)技術(shù)和能力達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，而包括嫦娥五號(hào)在內(nèi)的一系列任務(wù)，將為火星取樣返回任務(wù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。?

　　不過(guò)話(huà)說(shuō)回來(lái)，在沒(méi)有充分進(jìn)行火星遙感和巡視探測(cè)的條件下，缺乏對(duì)火星土壤、水冰、礦物、巖石和地質(zhì)構(gòu)造的深入了解，火星取樣返回，在科學(xué)上或許并不是一個(gè)好主意，有可能勞師動(dòng)眾花費(fèi)巨資，取回的樣品卻不具備足夠的科研價(jià)值。但無(wú)論如何，2020年發(fā)射的中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)都是一個(gè)值得期待的開(kāi)始。?

　　好的，今天的非?？茖W(xué)到這里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息，可以搜索微信公眾號(hào)“feichangkexue”來(lái)關(guān)注我們，或者通過(guò)新浪官方微博“經(jīng)濟(jì)之聲非常科學(xué)”與我們節(jié)目組進(jìn)行互動(dòng)。主持人亞楠代表編輯制作感謝大家的收聽(tīng)，并誠(chéng)邀您明天同一時(shí)間繼續(xù)與我們相約《非常科學(xué)》。?



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