被稱為「探測器墳場」，成功率僅有50％的火星探測，究竟難在哪兒？

科技日報記者 付毅飛

北京時間11月27日凌晨3時54分，洞察號探測器在火星著陸，成為繼「好奇號」之後，NASA時隔6年又一次成功登陸火星的探測器。與以往探測火星表面和大氣的探測器不同，它將專門探測地表以下，首次對火星進行深入的「體檢」。

當「洞察號」成功著陸後，NASA任務控制大廳歡聲雷動，提心弔膽了6個多月的任務團隊，終於能緩一口氣，放心地按照傳統享用幸運花生。儘管人類已多次造訪火星，但這一旅途仍遍布艱險。

洞察號在火星上的工作示意圖。來源：NASA

全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩向科技日報記者介紹，登陸火星任務分為發射、巡航、下降和著陸、表面操作四個階段，尤其是下降著陸風險最大，不少探測器都在這一階段「陣亡」。人類迄今為止共發射40多個火星探測器，成功率僅為50%左右，因而有人把火星稱為「探測器墳場」。

飛越5000萬公里差毫釐繆千里

火星距離地球最近時也有大約5000萬公里，而探測器抵達火星需要飛行幾億公里，對發射、軌道、控制、通信和電源等技術都有很高要求。

「洞察」號採用降落傘+緩衝發動機反推+著陸腿的方式在火星著陸

龐之浩說，火箭的運載能力、入軌精度和可靠性是火星探測的重要前提。最好用大推力運載火箭，把探測器加速到每秒11.2公里的第二宇宙速度，直接進入地火轉移軌道，否則需要消耗探測器自身燃料和更長的飛行時間加速，會影響探測器壽命。

印度2013年發射的曼加里安號火星探測器，正是由於運載火箭推力較小，使探測器花了很長時間和燃料才到達火星。而在我國公布的火星計劃中，將使用目前推力最大的長征五號火箭實施發射。

由於距離遙遠，通信也非易事。龐之浩說，從地球發送到火星的無線電信號，單程延時約20分鐘，這需要探測器具有很強的自主控制能力。同時為了應對信號衰減問題，探測器需要裝有高增益、高可靠通信設備，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」。例如美國1992年發射的火星觀測者軌道器，就是在即將進入火星軌道時失聯。

失落太空的美國「火星觀察者」探測器

相比月球探測器，火星探測器要進行更多次、更精確的軌道修正，才能準確到達目的地。龐之浩說，如果探測器在地火轉移軌道近地點有每秒1米的速度差或1公里的高度差，到達火星附近時的位置誤差可達10萬公里。美國「勇氣號」在降落火星前，先後修正了4次航線。

探測火星途中，還要注意太陽風暴的影響。日本首個火星探測器「希望號」原計劃2003年12月14日進入火星軌道，但其電路系統受太陽風暴影響出現故障，變軌發動機無法啟動，最終導致任務失敗。

洞察號到達之前的火星著陸版圖。數據來源：MOLA，製圖：haibaraemily

靠近火星後，探測器需要精準地進入火星軌道，這一動作被形容為「從巴黎打一顆高爾夫球，一桿落入東京的球洞」。龐之浩說，探測器切入火星軌道過程中，如果切入點離火星略遠，則無法被火星引力捕獲；如果切入點太近，則可能闖進火星大氣層墜毀。1999年，美國火星氣候軌道器在入軌時，因混淆英制和公制單位造成導航誤差，導致其距離火星太近而被燒毀。

多個探測器在「恐怖7分鐘」里功虧一簣

與飛行相比，探測器在火星著陸的難度更大。

背景圖是火星地形圖，紅區代表高處，藍區代表低處。素材來源：NASA

龐之浩說，進入火星大氣時，探測器能接收到的遙測信號十分微弱；當它運行到火星背面，地球上無法準確獲取其軌道參數。加上通信延時影響，因此火星著陸過程完全需要探測器自主完成。

這一階段，探測器的防熱措施是否可靠，降落傘、氣囊和緩衝火箭等能否按程序工作都至關重要，整個過程被稱為「恐怖7分鐘」。許多探測器在此功虧一簣。

「好奇」號通過降落傘和空中起重機方式在火星表面著陸

原計劃1999年12月3日在火星著陸的美國火星極區著陸器，由於軟體錯誤導致減速發動機過早關閉，最終撞毀。

2003年12月，歐洲獵兔犬2號著陸器與火星快車軌道器分離，準備在火星著陸時失蹤了。後來發現，「獵兔犬2號」著陸後太陽電池板沒有完全展開，無法獲取電力。

2016年10月20日，歐洲「火星生物學-2016」中的「夏帕雷利」也在著陸前與地面失聯，原因是一個僅1秒的計算失誤，造成降落傘與防熱罩提前分離，導致其撞毀。

即使能平安著陸，火星複雜、惡劣的環境也可能讓探測器「陣亡」。龐之浩說，火星大氣密度只有地球的1%，因而輻射嚴重；風暴有時能達到地球上12級颱風的6倍，持續長達半年。美國機遇號火星車今年因沙塵暴而停止工作，目前「生死」不明。

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三種火星著陸方式各有千秋

目前，探測器在火星軟著陸方式主要有三種，各有千秋。

龐之浩說，一是氣囊彈跳式。這種方式簡單、成本低，但只能滿足重量較小探測器的著陸要求，且著陸精度不高。美國「火星探路者」「火星漫遊者」（勇氣號和機遇號火星車）就是採用降落傘＋氣囊彈跳方式。

二是反推著陸腿式。該方式較複雜、成本高，但能滿足重量較大探測器的著陸要求，且著陸精度較高。美國「海盜號」「鳳凰號」「洞察號」，以及歐洲的「獵兔犬2號」「夏帕雷利」均採用降落傘＋緩衝發動機反推＋著陸腿方式。

三是空中起重機式。這種方式最為複雜，成本最高，技術最先進，可滿足重量更大的探測器軟著陸要求，並能精確著陸。攜帶好奇號火星車的美國「火星科學實驗室」就採用了降落傘＋緩衝發動機反推＋空中起重機方式。

迄今為止所有的火星著陸器全部採用剛性減速器和「盤-縫-帶」降落傘方案，完成超聲速減速工作。2012年在火星表面軟著陸的「好奇號」是至今質量最大的火星著陸器，達960公斤。

龐之浩說，「好奇號」已經把這項減速技術所能承受的重量推到極限，而未來載人火星任務涉及的重量將達到20噸以上。

由於火星密度太小，載人火星飛船的重量過大，現有的三種著陸方式都無法使用。為此美國正在研製新的火星著陸裝置——「低密度超聲速減速器」。龐之浩介紹，當著陸器以大約3.5馬赫的速度進入火星大氣時，該裝置能像夏威夷氣鼓魚一樣迅速充氣，以增加空氣阻力，將著陸器的速度減至2馬赫。此時直徑33米的巨型超聲速環帆降落傘打開，幫助著陸器安全著陸。

來源：科技日報 文中圖片除註明外均來自網路

編輯：朱麗

審核：王小龍

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