中国"萤火"首启火星之旅(图)

　　

　　

　　我国第1个火星探测器“萤火1号”

　　

　　我国首个火星探测器“萤火1号”将搭载于俄罗斯火箭升空

　　

　　“萤火1号”在火星轨道示意图

　　

　　“火卫一·土壤”的全尺寸实物模型

　　

　　美国3代火星车

　　新闻背景

　　本月8日至20日，中国第一个火星探测器“萤火1号”，将与俄罗斯“火卫一·土壤”采样返回探测器一起，择机使用俄罗斯“天顶-2SB”火箭从拜科努尔发射场发射升空，飞向火星。

　　此次火星探测，不但是我国派出第一个进入火星轨道的探测器，也是俄罗斯时隔多年之后第一次重返火星。他们承载的一系列创新型火星探测任务，对人类认识火星具有重要的意义。

　　搭车去火星

　　联合探测中俄双赢

　　火星在我国古代被称为“荧惑”，中国第一个火星探测器取其谐音，命名为“萤火1号”。

　　中俄两国于2007年3月26日签署了联合探索火星的协议书，决定在2009年10月发射“火卫一·土壤”和“萤火1号”探测器。后来，由于俄罗斯深空测控系统存在一些问题，无法保证探测器在飞行过程中与地面的联系保持百分之百的稳定，而“火卫一·土壤”在测试中也不够稳定，因此发射推迟到今年11月。延迟发射对“萤火1号”有一定影响，其中一些器件要重新更换，并影响了我国探测火星的战略部署。

　　“萤火1号”在随“火卫一·土壤”升空后仍“乘坐”在其上。它们“手牵手”进入火星轨道，装在“火卫一·土壤”顶部的“萤火1号”在绕火星飞行3圈后两者分道扬镳：“火卫一·土壤”变轨到火星圆轨道上寻机登陆“火卫一”，钻取土壤样品后返回地球；“萤火1号”则在近火点（距离火星最近的点）800千米、远火点80000千米、轨道倾角小于5°的火星大椭圆轨道上，正式履行火星探测使命。

　　采用这种联合探测的方式对参加合作的中俄双方都有益。对于中方来讲，由于时间紧张、资金有限、没有经验、测控困难，所以短期内研制小型火星探测器，并且搭载在较大的火星探测器上发射和飞向火星，可以避开一系列技术问题；对于俄方来说，其运载火箭和火星探测器都有搭载余量，顺便搭载“萤火1号”不仅对自己的火星探测任务没有影响，还可获得额外的科学数据和经济效益。

　　我国目前正在建设自己的深空测控网，也有足够的运载能力，所以将争取于2013年独自发射、测控自己的火星探测器。据悉，我国火星探测的步骤将与月球探测计划类似，采用“绕、落、回”，即第一步是实施火星环绕探测，并开展软着陆技术验证；第二步是实施火星软着陆，开展火星就位探测；第三步是实施火星无人采样返回。

　　个头小翅膀大

　　目标集中可补空白

　　“萤火1号”的质量为115千克，为三轴稳定的六面体结构，体积相当于一个普通电视机大小，2×3块太阳电池板展开后达到7.85米，设计寿命为2年，主要用于探测火星的空间环境等。之所以如此小的星体装这么大的“翅膀”，是因为火星上太阳光照强度低，只有地球的1/2左右，太阳电池翼要足够大才能给自身提供充足的能量。虽然“萤火1号”是能力有限的小型空间探测器，但它的科学目标集中，做的事情重要，性价比较高。

　　目前，虽然已有20个探测器成功对火星进行了探测，但它们主要是寻找火星上是否有生命或水，了解火星表面的物理和化学特性如何，大多数火星轨道器运行在距火星表面几百千米的极轨上，所以很难了解火星的高层大气和电离层等空间环境。

　　然而，掌握火星的高层大气和电离层对未来的载人登火星、分析火星的演化等很重要。比如，火星没有像地球一样的磁场，太阳爆发的时候会有大量的高能粒子轰击火星表面，如果未来进行载人登陆火星就有可能遇到巨大的威胁。利用“萤火1号”运行在近赤道、大偏心率的轨道优势，能覆盖行星际太阳风、弓激波、磁壳、粒子堆积区等所有火星空间环境区域。除了探测火星的空间环境外，“萤火1号”还将对火星的地形、地貌和沙尘暴，以及赤道区重力场进行系统探测。

　　“萤火1号”带有重量不超过15千克的8台科学探测仪器。其中的等离子探测包是目前最先进的等离子体探测器之一，用于探测火星周围大气等离子体的分布和逃逸率，并和磁强计一起了解太阳风与火星大气相互作用对火星水体损失的影响，以及在火星地表环境演化中，液态水是怎样流逝的。

　　“萤火1号”还将与“火卫一·土壤”探测器联合完成人类首次对火星电离层的星-星掩星探测——它俩之间的连线在某一特定时刻恰好切过火星表面，此时两者以同一频率“对话”，就可巧妙测得火星表面电离层的电子密度和总电子含量，由此推测火星的空间环境。

　　号称“航天器坟墓”

　　首探火星需克服多重障碍

　　不算这次发射，从1960年起至今，人类已向火星发射了41个探测器，其中21次失败；6次飞跃火星，没有进入火星轨道；15次被火星引力场捕获，其中7次作为轨道器进行了探测，8次着陆，并释放出3辆火星车。在火星探测初期，有2／3的探测器以失败告终，因此，火星也被称为“航天器坟墓”。

　　探测火星的难度，主要是火星距离地球较远，这给探测器的测控、入轨和姿态调整等都带来不少困难；因为是行星际航行，所以火星探测器要经历复杂的空间环境、地球辐射带、行星际太阳风、温度环境等影响；火星的重力场也很复杂，有大量的高山峡谷，造成火星质量不均匀，这些对火星探测器的轨道运行有一定影响；火星轨道器的光学观测以及着陆器的能源系统还会受到火星季节性巨大沙尘暴的影响。

　　“萤火1号”面临的第一个技术难题是遥控遥测，它是月球探测器与地球测控通信距离的数百倍，所以探测器上的接收机灵敏度要非常高，为此，探测器采用了高增益天线。

　　我国现在还没有覆盖全球的深空测控网，“萤火1号”将用俄罗斯和欧洲航天局的深空网实施测控通信。其数据传输采用直接对地球通信方式，上行命令主要由俄罗斯和欧洲航天局地面站发送，下行命令则由中国地面站、俄罗斯地面站和欧洲航天局地面站分时段进行接收。其中，中国地面站主要依托国家天文台位于密云的50米直径天线地面站和位于云南的40米直径天线地面站接收“萤火1号”传回的数据。

　　“萤火1号”遭遇的另一个技术挑战就是7次的“长火影”，最长一次达8.8个小时。此时，探测器上的太阳能电池翼接收不到能量，只能靠有限的蓄电池来维持工作。为此，“萤火1号”上的部件要进入休眠状态，待火星飞出“长火影”后，再将16台单机加电唤醒，重新启动工作。另外，与嫦娥1号、2号月球探测器不同，“萤火1号”受给定重量的限制，蓄电池容量较小。不过，我国已攻克了“萤火1号”在超低温环境下的防冻技术，在地面模拟测试中，“萤火1号”在温度为-260℃的环境中休眠8.8个小时之后，其上的16台单机均成功唤醒，且正常工作，控制也没问题。

　　（作者为《国际太空》杂志执行主编）

　　延伸阅读1

　　首次火星取样返回

　　俄“火卫一·土壤”将创新纪元

　　俄罗斯“火卫一·土壤”的最主要任务是从“火卫一”采集土壤样品并运送回地球，用于详细的实验研究。

　　从1988年至今，由于社会、经济领域经历了一系列重大变革，苏联/俄罗斯只发射过1次空间探测器，即1996年发射火星-96探测器，但这次发射因火箭故障而失败。“火卫一·土壤”是俄罗斯在本世纪发射的首个空间探测器，但难度很大，因为它是人类向火星发送的第1个采样返回探测器，如果成功，对重振俄罗斯昔日航天大国形象有重要意义。它也是一项体现国际合作精神的探测任务，搭载了来自中国、美国和芬兰的探测设备，香港科技大学为“火卫一·土壤”研制了“土壤预备系统”。

　　“火卫一·土壤”探测器发射质量为11吨，其着陆舱将在“火卫一”着陆，其返回舱将于2013年携带“火卫一”上100克的土壤样品返回地球。火星共有两颗卫星，“火卫一”是其中较大并离火星较近的一颗。

　　“火卫一·土壤”除搭载我国的“萤火1号”外，还搭载了美国行星协会设计的“微生物行星际飞行生存能力实验”生物舱和芬兰“气象网”设备。

　　“微生物行星际飞行生存能力实验”生物舱装有来自地球北极永冻地区的土壤和10种微生物，用于测试微生物是否能在近3年的星际旅行中存活下来。但该实验引起了一些争议，有批评者认为该实验违背了1967年的《外层空间条约》，实验携带的微生物可能会对“火卫一”或火星造成污染。如果“火卫一·土壤”探测器失控撞上火星，该实验携带的抗热微生物有可能在撞击和爆炸中存活下来。

　　芬兰两个“气象网”着陆器将被投放到火星表面。到2019年芬兰将向火星表面发送几十个“气象网”着陆器，目的是在火星表面建立广泛分布的观测网，对火星大气结构，物理性质和气象状态进行研究。

　　延伸阅读2

　　火星探测也“扎堆儿”

　　美第三代火星车将登陆火星

　　目前，共有5个火星探测器在空间工作，其中3个轨道器是美国的“火星奥德塞”、“火星勘测轨道器”和欧洲的“火星快车”；两个着陆器是美国的“勇气”号、“机遇”号火星车。

　　无独有偶，原定于2009年发射的美国“火星科学实验室”也因技术原因推迟到本月发射。其中计划登陆火星的“好奇”号是美国第3代火星车，目的是寻找生命的基本单元、研究火星表面的化学、矿物和同位素成分，以及火星大气层的演变历史和表面的辐射环境。它比“勇气”号和“机遇”号大几倍；可在坡度为60°的斜坡上正常行驶，移动范围是20千米；它将依靠核能来工作，因而可大大增加漫游车的行程和使用寿命，适应极端环境的能力强。最引人注目的是“好奇”号用“空间起重机”登陆，而不是传统的气囊和缓冲火箭，所以可以定点着陆且不会产生扬尘。

　　美国争取在2022年进行火星取样返回，以确定火星上是否有生命。随着该任务的完成，美国“火星生命计划”也将结束。

　　（责任编辑：郭彩萍）