登陸火星：如何克服“黑色七分鐘”？

從月球到火星是探測太陽系的科學路徑和主要方向。探月工程之后，火星探測將成為我國未來深空探測的重點。不過，這是一項極具挑戰的任務。特別是，火星著陸過程中，著陸器高速進入火星大氣，在通過大氣阻力實現減速并安全著陸的過程中，需要經歷技術難度最大、失敗概率最高的“黑色七分鐘”。那么，怎樣才能實現在火星表面的安全著陸呢？

人類飛向火星

由于航天飛行能力的約束，在可以預見的將來，人類還無法飛出太陽系。而在太陽系內，只有火星的自然環境與地球最相似，是太陽系中唯一經改造后適合人類長期居住的天體，也是人類移居外星球的首選目標。

毫無疑問，人類探索火星的道路將充滿挑戰，但這種挑戰和冒險精神，才是人類社會蓬勃發展的原生動力。從深空探測的發展戰略分析，不管是載人重返月球還是載人登陸小行星，最終瞄準的目標都是載人登火星，只是實現途徑不同而已。載人登陸后，人類將朝著建立火星前哨站、改造火星環境、火星移民的長遠目標逐步邁進。

由于地球和火星都是運動的天體，所以從地球出發的火星探測器并非任何時候都可以發射，而是每隔2年零2個月（780天）才有一次發射機會，這樣的發射機會稱為“發射窗口”。也就是說，火星探測器的“發射窗口”每隔26個月才會打開一次。這是因為每隔780天，太陽、地球、火星就會排列成一條直線，這被稱為火星沖，此時是發射火星探測器的好機會。更進一步，如果發生火星沖的時候，火星正好處于離太陽最近的位置（近日點），這時火星與地球的距離也最近，稱為火星大沖。

火星大沖每隔15～17年才會發生一次，所以每到這個難得的時機，往往就成為各國競相開展火星探測的豐年。上一次火星大沖出現在2003年8月23日，當時火星距離地球5575萬公里。這一年的6月2日，歐洲發射“火星快車號”環繞探測器和“獵兔犬2號”火星車，6月10日美國發射“勇氣號”火星車，7月7日美國再次發射“機遇號”火星車。下一次火星大沖將在2018年7月出現，屆時火星距離地球5759萬公里。三年后，我們就將看到另一場火星探測的盛宴。

20年后的2035年9月，是另一個火星大沖，屆時火星距離地球5691萬公里，人類航天史上繼阿波羅登月之后最偉大的時刻可能上演。基于對航天技術能力和火星探測戰略的認識，我們預測：人類有望在未來20年左右首次登陸火星表面。如果2035年沒能實現載人登陸火星的話，下一次機會就只能等到2050年了。

黑色七分鐘

火星探測的方式主要包括遙感探測和著陸探測兩種。遙感探測主要通過軌道器實現，目的是對火星表面開展全球性遙感；著陸和巡視探測主要通過著陸器和火星車來實現，目的是對火星表面重點地區開展定點精細探測，并尋找火星曾經或現在存在生命的證據。

軌道器飛行在火星大氣層之外，技術上相對容易一些。而如果是火星車或著陸器，則需要穿過火星大氣層才能“踏”上火星表面，這期間需要經歷驚心動魄、生死攸關的一幕。

探測器從130多公里的高空進入火星大氣，時速高達21000公里（每秒5.9公里），要在短短七分鐘的時間內，讓探測器的速度降至零，從而實現安全著陸。這也是所有火星探測任務中技術難度最大、失敗概率最高的關鍵時刻，被稱為“黑色七分鐘”。

上世紀六七十年代，前蘇聯對火星探測很有熱情，發射了世界上第一個火星探測器，并在每個發射窗口幾乎都會發射3～4顆火星探測器，雄心勃勃地希望在火星探測上占據領先地位，但失敗接二連三，嚴重地打擊了自信心。在前蘇聯（包含俄羅斯）已經發射的17顆火星探測器中，只有3顆算是基本成功，其中有1顆還是部分成功（成功著陸，但沒有獲得有意義的成果），整體成功率不足18%。

相比而言，美國迄今為止共發射17顆火星探測器，其中成功13顆，成功率高達76%。近年來，歐洲、印度、日本等國家和地區的組織在火星探測方面也多有動作，其中，印度于2013年11月5日先于中國發射亞洲首顆火星探測器。作為深空探測的后起之秀，面對世界航天發展的新形勢，我們必須突出重點、有所作為，積極規劃自主火星探測，在人類探索太陽系的征程中做出與大國地位相適應的貢獻。

如何安全著陸

回顧世界各國的火星探測歷史，我們發現，安全著陸在火星表面主要通過3種方式來實現：

第一種方式是氣囊緩沖。1996年12月4日發射的“火星探路者”采用氣囊緩沖成功著陸至火星表面，初步驗證了火星大氣進入、減速和著陸緩沖全過程的可行性；2003年6月和7月分別發射的“勇氣號”與“機遇號”火星車，使氣囊緩沖著陸的方式得到了充分驗證，成功實現了對火星表面較大范圍的巡視。

第二種方式是著陸支架緩沖。2007年8月4日發射的“鳳凰號”著陸器比“機遇號”和“勇氣號”更重，如果依靠降落傘和安全氣囊著陸，則須使用更大的降落傘、更重的氣囊，但這又會占用本該用于科學儀器的重量。因此，“鳳凰號”采用了著陸支架緩沖的方式，實現了在火星北極地區的安全著陸。

第三種方式是空中吊車著陸。2011年11月26日發射的“好奇號”火星車（又叫“火星科學實驗室”）的重量將近1噸，是“勇氣號”、“機遇號”火星車的5倍，長度是它們的2倍，攜帶了眾多的先進探測設備。為實現這個“大塊頭”的安全著陸，“好奇號”任務團隊研發了新的著陸方式——天空起重機，實現了更大質量載荷的大氣進入、減速、著陸。在經過大氣摩擦減速和降落傘減速后，“好奇號”的“空中吊車”開啟8臺反推發動機，從而進入主動減速的緩慢下降段。空中吊車和“好奇號”火星車組合體的速度降至0.75米/秒之后，空中吊車用纜繩將火星車緩慢下放。當火星車下降到距地面的某個設定高度時，纜繩被自動切斷，從而實現火星車在一定距離范圍內的安全著陸。

火星表面著陸方式的選擇不僅與航天技術水平有關，也與著陸器或巡視器的質量和工作方式有關。一般而言，質量較輕的巡視器大多采用氣囊緩沖方式著陸，包裹的氣囊較小，方便火星車順利駛出并開展科學探測；為避免減速不足導致巡視器及其載荷受損，質量較重的巡視器則不宜采用氣囊緩沖，應采用著陸支架緩沖方式吸收著陸沖擊，這種著陸方式在探月工程“嫦娥三號”任務研制中已有成功經驗。對于更重的探測器，則需要采用反推火箭減速的空中吊車著陸方式，可以最大程度減少著陸沖擊，但該技術對測控、數據傳輸和自動控制等技術要求較高，難度較大。

“火星生命”計劃

為了讓大家更容易地理解火星著陸的關鍵技術，我們選擇剛剛完成論證工作，并啟動實施的歐洲“火星生命”計劃作為典型案例，詳細分析火星著陸的技術難點。

歐洲“火星生命”計劃（Exobiology on Mars）的全稱為“火星上的太空生物學”計劃，包括2016年和2018年兩次發射任務。該計劃預算約16億美元，目的是探測甲烷等微量氣體的生物學證據、研究火星上的生物進化或地質演變過程、搜尋火星生命信號。除此之外，該計劃還要試驗火星表面著陸關鍵技術，對火星表面環境進行勘察，為后續火星探測任務奠定基礎。

“火星生命”計劃最初由歐洲空間局和美國國家航空航天局（NASA）合作開展，由于經費限制，NASA于2012年退出該計劃。2013年初，俄羅斯航天局代替NASA成為該計劃的合作伙伴。

俄羅斯航天局負責研發“火星生命”計劃2018任務的下降模塊和著陸平臺，并為兩次任務提供“質子”系列的運載火箭。除此，雙方將合作研制科學儀器，共同開展火星表面的科學探索。

2013年6月17日，歐洲空間局與火星探測器制造商阿萊尼亞太空公司簽署了“火星生命”計劃2016任務（以下簡稱2016火星任務）的正式研發合同，該計劃探測器進入最終研制階段。

火星生命計劃預計2016年1月第一次發射，經過9個月的巡航飛行，于當年10月到達火星。

該任務由兩個探測器組成，一個為“痕量氣體軌道器”（TGO，以下簡稱軌道器），另一個為“大氣進入、減速和著陸驗證器”（EDM，以下簡稱著陸驗證器）。其中，軌道器主要探測火星大氣中的微量氣體；著陸驗證器主要用于火星表面著陸試驗，為2018年的火星著陸任務做驗證，同時為未來其它火星任務積累經驗。

2016火星任務主要包括三大科學目標：1）尋找火星過去存在或現在存有生命的痕跡；2）分析火星次表層土壤中的水和化學環境；3）研究火星大氣中的痕量氣體成分及其來源。

另外，通過2016火星任務的實施，“火星生命”計劃將實現四大技術目標：1）驗證將科學儀器安全著陸在火星表面的大氣進入、減速和著陸（EDL）技術；2）實現火星車對火星表面的巡視探測；3）實現火星次表層樣品采集；4）實現火星樣品采集、封裝、轉移和分析。

在2016火星任務之后，歐洲還將實施“火星生命”計劃2018任務，發射一輛火星車，攜帶一套鉆探工具和多套科學儀器，鉆探至兩米深的土壤層，以研究火星土壤的化學成分和可能的生命信號。

1. 2016火星任務的軌道器

2016火星任務中的軌道器由歐空局負責研發，將搜尋火星大氣層中的甲烷和其他痕量氣體（體積濃度<1%），這些氣體是說明火星現在存在生物或曾經存在生物的標志物。

軌道器的軌道高度約在400千米，搭載的科學儀器主要對火星大氣中的多種氣體進行探測，如甲烷、水蒸氣、二氧化氮和乙炔等，進而確定這些氣體的分布區域及其來源。這些區域，也將是未來火星計劃的最佳著陸點之一。

已有探測結果表明，火星大氣含有微量的甲烷，且不同地區和不同時間的甲烷含量不同。由于甲烷在地質歷史中難以長期存在，所以，探測到甲烷預示著火星可能至今仍在產生甲烷。不過，盡管生物消化過程中會產生甲烷，但其他的物理化學過程也會釋放甲烷氣體，比如鐵的氧化。因此，我們至今仍不清楚火星大氣中的甲烷究竟是來自于生物過程還是化學反應。

2. 2016火星任務的著陸驗證器

為支持未來的火星探測任務，2016火星任務特別搭載了一個著陸驗證器。目的是驗證火星表面安全著陸的技術平臺，進行可控的火星表面登陸試驗，驗證火星大氣進入、減速下降和著陸過程中的關鍵技術，并計劃將一個質量為3千克的科學儀器包，著陸在火星表面進行持續4個火星日的短期科學實驗（火星上的一天比地球上長39分35秒）。

著陸驗證器主要是為了測量從火星高空至火星表面的大氣參數，包括大氣密度、溫度、壓力、風場等；測量強的火星塵暴條件下的大氣特征；擴展有效工程數據量，分析遙感測量數據與理論模型的差異。當然，由于受到科學儀器質量、能源供應和下傳數據量的限制，這些科學目標不一定能夠完全實現。

對2016年火星任務而言，著陸驗證器最主要的技術目標是，試驗和驗證歐洲后續火星探測任務必需的關鍵技術環節，如：氣動熱力學分析、火星大氣進入與減速系統設計、制導—導航和控制系統設計與著陸系統設計。

著陸驗證器是一個盾型航天器，由一個半錐角70度的盾頭前體結構和一個半錐角為47度的圓錐形后體結構組成。著陸驗證器外直徑為2.4米，表面平臺直徑為1.7米，氣動外形繼承了“火星探路者”、“機遇號”、“勇氣號”和“鳳凰號”火星探測器的氣動外形。

在著陸驗證器和軌道器組合體飛往火星的巡航過程中，為減少主電池的能量消耗，著陸驗證器處于休眠模式。由軌道器為組合體提供必需的操作以及與地球間的通信，并為著陸驗證器提供所需能源。

組合體到達火星3天前，著陸驗證器通過三點旋轉分離機構與軌道器分離，并為著陸驗證器提供大于0.3米/秒的相對速度和2.5轉/秒的自旋角速度，使著陸驗證器與火星大氣進入邊界點成0度攻角。

著陸驗證器在火星大氣層停靠階段將持續3天，停靠時間長短取決于軌道器與著陸驗證器分離后的軌道修正，為進入火星大氣提供必須的軌道機動。這一階段對著陸驗證器而言非常關鍵，導航和分離機構的散布將會疊加，進入火星大氣邊界點的軌道散布也將進一步增加。本階段最關鍵的動作，是利用著陸驗證器后體上的太陽敏感器測量慣性姿態，在抵達進入火星大氣邊界點前，激活探測器系統，為啟動火星著陸程序做準備。

由于2016火星任務抵達火星時恰逢全球性沙塵暴季節，因此在進行著陸驗證器設計時，必須考慮沙塵暴的影響。

3. 著陸系統

著陸驗證器的著陸系統包括一個被動著陸裝置（可壓縮緩沖結構）和一個主動著陸裝置（液體肼單組元推進系統）。主動著陸裝置保證著陸驗證器在高度約1.5米時實現懸停（減速至0）。

被動著陸裝置由一種層壓的可壓縮緩沖材料構成，這種材料在沖擊過程中以變形方式吸收沖擊能量，以達到最終緩沖的目的。在反推發動機作用完成后，著陸驗證器表面平臺將以4米/秒的速度著陸，可壓縮緩沖材料使該速度帶來的沖擊降至最低，最大沖擊過載為40g。實現緩沖功能最大的挑戰是可壓縮緩沖材料的結構布局設計。

由于著陸驗證器上既沒有放射性同位素電池（核電源），也沒有太陽能電池板，因此著陸驗證器在火星表面著陸后的能源供給，只能依靠攜帶的主電池供電，但其電力非常有限，所以著陸驗證器在火星表面的工作壽命只有4個火星日。

4. 大氣進入—下降—著陸

當著陸驗證器與軌道器分離后，將以雙曲線軌道進入火星大氣層。著陸驗證器可能的目標著陸點是火星子午線平原，這一區域的地形和大氣特性目前已經全面掌握，在該區域著陸可以將火星表面著陸風險降至最低。

目前，目標著陸區的散布橢圓半長軸小于50千米。科研人員正通過NASA提供的著陸區高分辨率圖像對周圍環境特征進行深入分析，隨著對著陸區特征的認識更加明確，危險識別能力將進一步增強。

當著陸驗證器抵達火星大氣層邊界（高120千米處）時，最大相對速度為5.827千米/秒，確定是否進入大氣層走廊還須考慮熱流密度、熱流載荷、載荷因子、降落傘充氣載荷和著陸點精度等5個因素和火星大氣條件的變化以及氣動特性。

當著陸驗證器沿雙曲線軌道進入火星大氣后，飛行速度減至612～714米/秒（1.8～2.1倍音速）范圍內時，直徑12米的降落傘打開。當降落傘達到穩定減速后，前體彈射分離；安裝在著陸驗證器表面平臺上的多普勒雷達高度計開始測量。測量數據傳輸至慣性測量單元，通過計算獲得動力下降段點火時的高度。著陸驗證器到達該高度時，降落傘攜帶后體與著陸驗證器表面平臺分離。著陸驗證器高度約1400米，速度約80米/秒時，開始啟動最后的動力下降段。

在動力下降段，著陸驗證器在9臺400牛頓單組元反推發動機的作用下逐漸減速，最終在高1.5米處，垂直速度和水平速度減至0，反推發動機關機，著陸驗證器表面平臺自由著陸到火星表面。著陸時，著陸驗證器表面平臺下的緩沖蜂窩夾層結構將起到減小著陸沖擊荷載的作用，這種壓縮吸能結構具有質量輕、體積小、簡單可靠、成本低的優點，并使得著陸后的著陸驗證器表面平臺離火星表面的距離很小。

著陸驗證器表面平臺上安裝了總質量為6千克的多套傳感器，主要目的是測量火星大氣進入、減速、著陸過程中的工程參數，著陸驗證器成功著陸火星表面后，這些測量數據將傳回地球，重建著陸驗證器的飛行軌道。

所謂“火星移民”

既然登陸火星的技術難度很大，說了這么多，最后希望盡一個科研工作者的本分，指出一些有違科學精神的社會現象。

此前，荷蘭一家公司拋出了一項名為“火星一號”的太空計劃，聲稱將在2023年實現人類首次移民火星，將挑選兩男兩女共4名志愿者，用有去無回的“單程票“奔赴火星。據說，有4位華人已入選初步候選人，國內外媒體也紛紛報道。

但是正如前面所述，去往火星的載人飛船從進入130公里高度的火星大氣層頂部開始，要在七分鐘的時間內，將航天器的飛行速度從時速兩萬多公里下降至零，經受“黑色七分鐘”。人體能否承受這種高速沖擊？飛船外殼的隔熱能力是否足夠？飛船將采用何種方式著陸？這些都還沒有答案。

而且，世界上還沒有任何國家成功研制載人火星飛船，研制周期將達到10年以上。因此，載人登陸火星的關鍵技術瓶頸還遠沒有突破，相關技術還不完善，更何況，提出“火星一號”計劃的荷蘭公司并沒有獲得任何有技術實力的太空科研機構的支持，根本不可能有技術能力將人安全地送上火星。

此外，載人登陸火星是一項十分龐大而復雜的系統工程，技術難度和經費需求將遠遠超越“阿波羅”登月計劃。美國航天局僅研制一輛不載人的“好奇號”火星車的總花費就高達25億美元，預計載人登火星的經費支出至少需要上千億美元。因此，靠個人捐助實現如此龐大的太空項目基本不太可能。

火星是太陽系內最類似地球的一顆行星，載人登陸火星是人類走出地球最關鍵的一步，寄托著全人類的希望。因此，登陸火星是一項全人類共同努力才能實現的宏大事業，各國科學家正在為這一宏偉目標而努力。

太空探索是全人類的共同事業，人類探索太空的目的應該是純粹的，即以探究未知世界，造福人類社會為宗旨。至于“火星一號”所謂的火星移民，本來就只是一種商業炒作，我們沒有必要過度關注這個項目，更沒有必要對它充滿期待。

（作者：鄭永春，中國科學院國家天文臺）

發表于 2015-04-22 00:00
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