2021年5月15日，在經(jīng)歷了296天的太空之旅后，天問一號成功降落在火星北半球的烏托邦平原南部。

圖片來源：中國航天

對于火星探測，你是不是還有很多問號？

從歷史到現(xiàn)實，從技術(shù)難點到解決方案，在這篇文章里，我們將向你詳細(xì)述說人類探索火星的故事。

Part.1

歷史篇

為什么要探測火星

仰望蒼穹，漫漫宇宙中，我們是否孤獨(dú)？是否在另一個星球上，也存在著和我們相似的生物和文明？

眾多星球中，火星是備受關(guān)注的一顆。它是太陽系中從內(nèi)往外第四顆行星，地球的鄰居，與地球非常相似，直徑約為地球的一半，質(zhì)量約為地球的11%，火星日的長度與地球相當(dāng)，而火星年的長度約為地球年的2倍。不少專家認(rèn)為，火星曾經(jīng)可能具有和地球相似的環(huán)境。因此開展火星探測和研究，不僅有助于探究火星，也有助于借此探究地球的過去和未來，為人類尋找可能的未來家園。

太陽系（圖片來源：veer圖庫）

人類對火星的認(rèn)識

火星，看起來偏紅，熒光像火；它看起來的亮度經(jīng)常發(fā)生變化；而且火星在天空中運(yùn)動時，甚至?xí)嫘?，令人難以捉摸，古書上稱之為“熒惑星”。

望遠(yuǎn)鏡發(fā)明后，第一個使用望遠(yuǎn)鏡觀測星空的伽利略看到了火星，像一個小紅點。隨著望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，人們可以分辨火星的一些細(xì)節(jié)特征。1877年，意大利天文學(xué)家斯基亞帕雷利發(fā)現(xiàn)火星地表從暗區(qū)延伸出許多線條，他稱之為“水道”，后來被翻譯成英文中的“運(yùn)河”。1894年，一位富有的波士頓商人洛厄爾對“火星運(yùn)河”很癡迷，他使用60厘米口徑的望遠(yuǎn)鏡探索火星，認(rèn)為自己在火星上也看到了運(yùn)河，并深信不疑。1908年，他出版了一本書《生命的棲居地——火星》。他在書中提出，在遙遠(yuǎn)的過去，火星上曾出現(xiàn)智慧生命，由此創(chuàng)建了一個科幻小說寫作的新流派。

1938年的萬圣節(jié)，一位美國喜劇演員奧爾森?威爾斯利用電臺，將科幻小說中的一些情節(jié)，以緊急通告的方式發(fā)布——火星人已經(jīng)攻擊美國，在新澤西就有目擊者。這可嚇壞了幾百萬的美國人。

直到20世紀(jì)50年代，人們對火星人的恐懼才得以消停。人們對火星有了更多的科學(xué)認(rèn)識，這些認(rèn)識表明火星不可能存在地球生命，因為那里太冷太干燥。但是，火星和地球之間的相似之處如此有趣，很難排除火星上有其它形式生命存在的可能性。

那時，科學(xué)家和工程師們想要知道火星上是否有生命或者人類是否可以抵達(dá)火星，但技術(shù)上存在障礙。1957年，蘇聯(lián)發(fā)射成功首顆人造衛(wèi)星，震驚了全世界，打開了太空探索的前沿。

借由火星探測器，我們知道了，火星上擁有太陽系最大最長的峽谷之一——水手峽谷，橫跨大半個火星，長約4000千米，深達(dá)7千米。火星擁有太陽系最高的山峰——奧林帕斯火山，高度超過2萬米，是地球上最高山峰珠穆朗瑪峰的海拔高度的3倍多；我們對火星地表成分也有更多了解，找到了火星上水的痕跡。

Part.2

技術(shù)篇

如何去往火星？

如何去往火星呢？先讓我們回顧下如何離開地球。這件事就要從1665年的倫敦大瘟疫說起了：那時劍橋三一學(xué)院的牛頓在鄉(xiāng)下自我隔離。傳說中有一天牛頓在蘋果樹下思考時被一顆蘋果砸中了腦袋，接著聯(lián)想到月亮從沒掉下來過，由此發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。筆者一直很好奇這個傳言的細(xì)節(jié)，而且高度懷疑牛頓被砸的那一刻可能只想著要把蘋果有多遠(yuǎn)扔多遠(yuǎn)，有圖為證！

牛頓大炮（圖片來源：《自然哲學(xué)中的數(shù)學(xué)原理》）

我們都知道扔蘋果的時候，用力越大，出手速度越快，蘋果就扔得越遠(yuǎn)，但它早晚會掉到地上。那我們?nèi)拥迷儆昧c，速度再快點呢？顯然，它可以被扔得很遠(yuǎn)。理想假設(shè)下，只要出發(fā)速度夠快，從北極扔到南極也未必不可能！如果我們再用力點呢？蘋果就可以飛躍南極，甚至回到北極，回到我們出手的那個位置，接著再來“億”遍。于是我們知道了，當(dāng)蘋果被扔出的速度超過某個速度時，它不再掉回地球，而環(huán)繞地球作圓周運(yùn)動。這個速度被科學(xué)家們稱之為“第一宇宙速度”（環(huán)繞速度），在地球上是7.9 千米/秒。月球繞著地球做高速圓周運(yùn)動，這正是月亮不會掉下來的主要原因。

要離開地球的話，第一宇宙速度還不夠，我們需要再加速，加速到第二宇宙速度（逃逸速度）約11.2 千米/秒。這時候才可以離開地球，那么需要付出的代價是什么呢？以阿波羅計劃為例，運(yùn)載火箭土星五號的全重是3000噸，僅能運(yùn)送45~48噸的飛船到地月轉(zhuǎn)移軌道，值得一提的是它在燃燒第一級時，每秒鐘就燒掉13噸燃料，足夠一輛家用小汽車?yán)@地球四圈。

離開地球之后就可以踏上前往火星的道路了嗎？還差點。

事實證明有個好的路線規(guī)劃是能省很多燃料。1925年，沃爾特·霍曼博士就提出了利用太陽引力的霍曼轉(zhuǎn)移軌道，這條線路最省能源。

飛行器從地球到火星沿霍曼軌道運(yùn)行示意圖（圖片來源：作者提供）

他的思路是在地球軌道和火星軌道之間找到一條環(huán)繞太陽的橢圓路線。這個橢圓與地球軌道外切，同時與火星軌道內(nèi)切。以出發(fā)時的地球為近日點，相對于太陽的速度最大，達(dá)到32.7千米/秒，以到達(dá)時的火星為遠(yuǎn)日點，相對于太陽的速度最小，只有21.5千米/秒。全過程只需要做兩次加速，一次離開地球軌道，進(jìn)入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，另一次離開霍曼轉(zhuǎn)移軌道，進(jìn)入火星軌道，需要從21.5千米/秒，加速到火星的公轉(zhuǎn)速度24.5千米/秒。

不用做太多加速看起來很省燃料，但也真的很花時間。由于各探測窗口不同，各探測器使用的火箭性能和飛行方案不同，最終探測器的飛行距離達(dá)4到7億千米，要飛行6到11個月不等。實際情況也很復(fù)雜，中間需要做很多的計算，只有大型專業(yè)的航天機(jī)構(gòu)才能完成。

對此，《下一站火星》中有這樣一個比喻：

“這有點類似讓一個人在滑翔機(jī)上（運(yùn)動速度較快的地球）扔（發(fā)射）一粒小石子（探測器），在提前很遠(yuǎn)的地方（發(fā)射窗口），中間有風(fēng)和空氣影響（恒星和行星等各種引力源）， 準(zhǔn)確穿過地面一輛左右前后運(yùn)動（火星圍繞太陽運(yùn)動軌道傾角不同，有大偏心率）的小汽車（運(yùn)動速度較慢的火星）天窗（引力影響范圍，希爾球）后，再掉到司機(jī)的水杯里（環(huán)繞火星軌道）。即便不考慮著陸，探測火星的難度已經(jīng)可想而知。”

飛行的時間長是一個方面，另一方面等待離開地球進(jìn)入霍曼轉(zhuǎn)移軌道的時機(jī)，也就是發(fā)射窗口，也很漫長。按霍曼的要求，這一時間窗口約每26個月才會出現(xiàn)一次，如果錯過了就又是一次漫長的等待。

Part.3

難點篇

火星探測很難，為什么？

火星探測任務(wù)一般可分為環(huán)繞、著陸和巡視三類。環(huán)繞任務(wù)，即發(fā)射環(huán)繞火星運(yùn)行的探測器，例如歐空局火星快車號、NASA的火星勘察軌道器；著陸任務(wù)則是使探測器著陸到火星上去，例如美國宇航局的鳳凰號、洞察號探測器；巡視任務(wù)即能夠在火星上進(jìn)行巡視勘探的火星車，例如美國宇航局的旅居者號、勇氣號、機(jī)遇號和好奇號火星車。

1960年，前蘇聯(lián)向火星發(fā)射了火星1A號探測器，它是人類探測火星的開端。1964年，美國成功發(fā)射水手4號火星探測器，它是歷史上首個成功到達(dá)火星的探測器。從1960年的火星1A 號到2018年“洞察號”，人類共進(jìn)行了40多次火星探測任務(wù)，包括了環(huán)繞、著陸、巡視任務(wù)，其中成功的任務(wù)僅占到約一半。那么，火星探測為什么這么難呢？

難點1——探測器發(fā)射窗口少

月球探測每年都有窗口期；火星距離地球非常遙遠(yuǎn)，每隔約26個月才有一次“火星探測窗口”，因此一旦錯過窗口期，就只能再等兩年。

難點2——測控和數(shù)傳面臨的困難大

放風(fēng)箏的時候，風(fēng)箏飛得再高，還有一根線在手中，那么，在飛向火星的漫漫長路上，探測器和地面之間也有“一根線”嗎？

有的，這就是測控和數(shù)傳。

測控和數(shù)傳指的是地面測控站與探測器保持通訊，即利用地面測控系統(tǒng)對探測器進(jìn)行定軌定位，利用地面臺站向探測器發(fā)送遙控指令，接收探測器的科學(xué)探測數(shù)據(jù)。

深空測控通信的難點可以概括為信號空間衰減大、信號傳輸時延長、信號傳播環(huán)境復(fù)雜以及高精度導(dǎo)航困難[2]。

難點2.1 信號空間衰減大，接收信號弱

深空探測器的測控通信需要面臨距離遙遠(yuǎn)帶來的一系列問題，探測器測控通信通常采用無線電信號進(jìn)行信息傳輸，而無線電波以光速向外輻射，強(qiáng)度按照傳播距離的平方衰減，故距離信號的發(fā)射源越遠(yuǎn)，強(qiáng)度越低[2]。

火星探測器和地球之間的距離非常遙遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)達(dá)到4億千米，是地月距離的1000倍。探測器發(fā)射的信號，通過遙遠(yuǎn)的距離傳輸?shù)降厍蛏系臅r候，信號強(qiáng)度已經(jīng)嚴(yán)重衰減，通常采用更大口徑的天線來接受微弱的信號。

難點2.2 信號傳輸時延長

月球探測的單程通信為1.3秒左右，基本上可以達(dá)到實時通信。而火星探測的最遠(yuǎn)單程通信時間為22分鐘，地面人員不能及時對探測器進(jìn)行控制，因此對探測器的自主控制提出了更高的要求。尤其是在降落火星時，僅僅7分鐘之后探測器就將從環(huán)繞軌道降落到火星表面，測控人員根本來不及對探測的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷從而進(jìn)行修正，只能依靠探測器自身的控制判斷來進(jìn)行著陸。

難點2.3 任務(wù)環(huán)境復(fù)雜

火星探測器距離遙遠(yuǎn)，無線電信號既要穿過地球的對流層和電離層，還要穿過火星的大氣層，以及變化復(fù)雜的太陽等離子區(qū)，信號傳播環(huán)境十分復(fù)雜。

難點2.4 高精度導(dǎo)航困難

火星探測器的軌道復(fù)雜、距離遙遠(yuǎn)、觀測時間段不能連續(xù)覆蓋，造成了探測器導(dǎo)航困難。探測器的巡航段、近火捕獲以及火星著陸需要超高精度的導(dǎo)航技術(shù)，如果導(dǎo)航精度不高，探測器將有可能失聯(lián)，或是在近火段與火星擦肩而過、進(jìn)入火星大氣燒毀或者直接撞到火星上去。

難點3——抵達(dá)火星難、著陸火星難

由于人類目前的運(yùn)載火箭能力有限，不能運(yùn)送太大的探測器到火星，所以探測火星的目標(biāo)之一就是消耗最少的燃料，盡可能將更大質(zhì)量的探測器送往火星。借助“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”，就可以使探測器從地球飛往火星消耗最少的能量。

由于火星距離遙遠(yuǎn)，在探測器的數(shù)月飛行過程中，會受到太陽系內(nèi)多個天體的擾動，還有太陽風(fēng)、空間輻射等復(fù)雜的影響，需要考慮的因素更多。火星距離地球最遠(yuǎn)為4億千米，需要更高的軌道設(shè)計要求，軌道偏差一點，到了4億千米都會被放大很多。

探測器抵達(dá)火星附近之后，需要被火星引力捕獲才能環(huán)繞火星運(yùn)行。而火星質(zhì)量小、引力影響范圍小，所以探測器在進(jìn)行近火制動之后需要準(zhǔn)確進(jìn)入環(huán)火軌道，稍有偏差就有可能與火星擦肩而過或是在火星大氣中焚毀。

登陸火星是最難的。目前，美國、俄羅斯、歐空局進(jìn)行過火星著陸，但是只有美國和中國完全成功過。即使是登陸月球，目前也只有美國、俄羅斯、中國成功過。

火星探測器進(jìn)入大氣層、下降和著陸段是火星探測中難度最大、風(fēng)險最高的飛行階段，需要探測器在短時間內(nèi)完成高度氣動減速、降落傘展開等機(jī)動動作。這個階段的主要難點有：氣動飛行減速難、火星表面避障難以及飛行驗證困難[8]。

以近些年來的火星登陸任務(wù)為例，歐洲空間局（ESA）和俄羅斯聯(lián)邦太空總署（Roscosmos）合作的斯基亞帕雷利EDM登陸器，計劃于2016年10月19日登陸火星，但是由于登陸器與火星高速碰撞，導(dǎo)致任務(wù)失敗。又比如，作為歐洲航天局2003年火星快車號任務(wù)的一部分，小獵犬2號著陸器在從火星快車號上釋放出來后的第六天，進(jìn)入火星大氣層時失去所有聯(lián)系。后來經(jīng)過確認(rèn)，著陸器成功登陸火星表面，但是因故未能完成部署開始運(yùn)作。

火星探測器著陸地點（圖片來源：NASA）

火星探測器登陸對于減速要求更高?；鹦翘綔y器的信號從火星傳到地球需要幾十分鐘，而探測器從運(yùn)行軌道著陸到火星只需要7分鐘，因此地面人員無法干預(yù)探測器的著陸過程，完全依靠探測器自身來控制選擇。

探測器的著陸過程對探測器防熱措施，降落傘、氣囊或是緩沖發(fā)動機(jī)能否按程序工作，都至關(guān)重要。任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，都將導(dǎo)致著陸失敗。因此，必須精確控制探測器的各個程序，需要經(jīng)歷所謂的“恐怖7分鐘”，才能成功軟著陸。

目前探測器登陸火星的方式主要有三種：分別是腿式緩沖、氣囊緩沖和空中吊車。美國的海盜號和鳳凰號以及洞察號探測器均采用腿式緩沖的方式。勇氣號和機(jī)遇號則是采用氣囊緩沖的方式，氣囊著陸適用于小型火星車，大一點的火星車就需要使用反沖發(fā)動機(jī)進(jìn)行著陸。好奇號火星探測器由于質(zhì)量非常大，只能采用最先進(jìn)的空中吊車方式進(jìn)行著陸。

好奇號火星車空中吊車（圖片來源：NASA）

Part.4

技術(shù)篇

VLBI測軌分系統(tǒng)

火星探測器的跟蹤和測定軌，目前主要采用基于地面無線電測量的測距、測速和甚長基線干涉（VLBI）測角三種手段[3]。

VLBI對探測器在垂直于視線方向上的位置變化有很高靈敏度,與視線方向具有高靈敏度的測距、測速形成互補(bǔ)，是火星探測器測定軌的必要手段，特別是在地火轉(zhuǎn)移段、近火制動段等測定軌難度較大的測控弧段的優(yōu)勢更為明顯[1]。

探測器進(jìn)入近火制動段時，地火距離一般達(dá)到數(shù)億千米，與月球探測器被捕獲時的38萬千米相比，距離增加了數(shù)倍。比如，VLBI時延測量誤差1納秒（0.3米），在3000千米的基線長度上，對數(shù)億千米遠(yuǎn)的火星探測器在垂直于視線方向上的單點測軌誤差約為幾十千米，遠(yuǎn)大于視線方向的測距誤差。VLBI時延測量精度的提高是火星探測器測定軌精度提高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為了提高VLBI時延測量精度，火星探測時一般差分單程定位（Delta Differential One-way Ranging; Delta-DOR）技術(shù)進(jìn)行測控。測距、測速技術(shù)的目的是測量目標(biāo)的視向距離和速度，而Delta-DOR技術(shù)則是測量目標(biāo)的橫向位置。1998年 “火星氣候軌道器”的失敗清楚的表明了Delta-DOR技術(shù)對于深空探測器跟蹤測軌的重要性。由于未使用VLBI技術(shù)，未能及時發(fā)現(xiàn)切平面誤差增大的致命缺陷，最終任務(wù)失敗。因此如果測控技術(shù)不是很成熟的話，探測火星的風(fēng)險很大。

在“嫦娥三號”等任務(wù)中，利用由上海站、北京站、昆明站和烏魯木齊站以及位于上海天文臺的VLBI數(shù)據(jù)處理中心組成的VLBI測軌分系統(tǒng)，和差分單程定位技術(shù)，將VLBI時延測量誤差降至1納秒以下。結(jié)合測速和測距數(shù)據(jù)，著陸器月面測定位和環(huán)月段的測定軌誤差約50米，地月轉(zhuǎn)移段和近月制動段的測定軌誤差參數(shù)100米[1]。

差分單程定位型技術(shù)適合于單個探測器測定軌，而同波束VLBI技術(shù)則適用于多個探測器的精密測定軌。所謂同波束干涉測量技術(shù)（Same Beam Interferometry, SBI），即用射電望遠(yuǎn)鏡的主波束同時接收兩個（或多個）探測器發(fā)送的信標(biāo)，得到兩個（或多個）探測器信標(biāo)的相關(guān)相位，并在探測器間進(jìn)行差分，由于信號傳播路徑基本相同，因此通過差分可以有效削弱信號傳播路徑上的大氣、電離層以及設(shè)備等引起的誤差，從而得到高精度的探測器相對定軌定位結(jié)果[3]。

Part.5

“天問一號”篇

火星探測項目是中國繼載人航天工程、嫦娥工程之后又一個重大空間探索項目，也是我國首次開展的地外行星空間環(huán)境探測活動。

2016年1月，我國首次火星探測任務(wù)正式得到國家批準(zhǔn)立項。

2020年7月，我國進(jìn)行首次自主火星探測任務(wù)“天問一號”。

“天問一號”由我國目前最大運(yùn)力的長征五號火箭進(jìn)行發(fā)射?！疤靻栆惶枴被鹦翘綔y器將一次性實現(xiàn)環(huán)繞、著陸和巡視任務(wù)，分別由環(huán)繞器、著陸巡視器來完成。環(huán)繞器運(yùn)行在環(huán)繞火星的軌道上，既可以自主進(jìn)行全球性、綜合性的環(huán)繞探測任務(wù)，也可以進(jìn)行中繼通信；著陸機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)攜帶巡視器安全著陸到火星上去，巡視器負(fù)責(zé)在火星表面進(jìn)行區(qū)域巡視探測。

長征五號遙三運(yùn)載火箭（圖片來源：中國航天科技集團(tuán)）

寫在最后

北京時間7月20日，中國火星探測任務(wù)“天問一號”在海南文昌發(fā)射基地發(fā)射升空，正式拉開我國行星探測的大幕。

2021年5月15日，“天問一號”成功著陸火星，中國成為繼美國之外第二個掌握火星著陸巡視技術(shù)的國家，同時也是世界上首個探索火星便完成軟著陸任務(wù)的國家。

火星探測器飛行效果圖（圖片來源：國家航天局）

“天問一號”火星探測任務(wù)，名字取自屈原長詩《天問》，任重道遠(yuǎn)，意義重大，雖難度極大，但中華民族充滿信心，也做好了充足的科技準(zhǔn)備，它承載著中華民族乃至全世界對真理追求的堅韌和執(zhí)著。

參考文獻(xiàn):

[1]劉慶會. 火星探測VLBI測定軌技術(shù). 2018.深空探測學(xué)報. 5, 5.

[2]吳偉仁. 深空測控通信系統(tǒng)工程與技術(shù).

[3]劉慶會. 同波束VLBI技術(shù)在深空探測器測定軌中的應(yīng)用. 遙測遙控.

出品：科普中國

制作：中國科學(xué)院上海天文臺（SHAO）天之文科傳團(tuán)隊（吳徳 左文文 狄逸煥）

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

（本文中標(biāo)明來源的圖片已獲得授權(quán)）

本文來源于”中國科普博覽“公眾號（kepubolan），轉(zhuǎn)載請注明公眾號出處


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