中國火星巡視器駛離著陸器示意圖。
美國鳳凰號火星著陸器利用發(fā)動機反推著陸。
美國3代火星車比較。
新聞背景
8月23日，“中國火星探測工程名稱和圖形標識全球征集活動”新聞發(fā)布會在北京召開，并首次公布了中國第一個火星探測器和火星車外觀設計構(gòu)型。2020年，我國首次火星探測將一次完成“環(huán)繞、著陸、巡視”三個探測任務，這在世界火星探測史上是前所未有的，將面臨巨大挑戰(zhàn)。此前，只有美國海盜號火星探測器一次實現(xiàn)了“環(huán)繞、著陸”兩個探測目標。
目前，我國已通過嫦娥1號、2號完成了對月球的“環(huán)繞”探測任務，通過嫦娥3號完成了對月球的“著陸、巡視”探測任務，所以有不少航天愛好者會問，我國的火星車能否借鑒玉兔號月球車的研制技術？探測月球與探測火星有什么區(qū)別？要回答這一問題，首先要了解月球和火星各自的概況，然后才能通過對比分析認識它們的異同。
不一樣的星球
首先應該知道的是，雖然月球與火星都是地外星球，但它們有很多不同之處。例如：
月球以1.02千米/秒（3683千米/小時）的速度，在稍扁的軌道上繞地球公轉(zhuǎn)，離地球時近時遠，最近時約36萬千米，最遠時約40萬千米，平均距離約為384400千米。而火星以橢圓軌道繞太陽飛行，它與地球的最近距離約為5500萬千米，最遠距離則超過4億千米。大約每隔26個月就會發(fā)生一次火星沖日，地球與火星的距離在沖日期間會達到極近值，通常只有不足1億千米。
月球是地球唯一的一顆天然衛(wèi)星，其質(zhì)量相當于地球質(zhì)量的1／81，所以引力較小，其表面重力只有地球的1/6。而火星比月球大許多，質(zhì)量相當于地球質(zhì)量的11%，其表面重力約為月球的2.5倍、地球的4/10。
月球上沒有大氣，所以沒有風雨變幻，無法靠對流的方式來傳遞熱量，這使得月球的白天和夜晚的溫差高達310℃。月球白天最高溫度可達130℃；晚上溫度會下降到-180℃左右，且月球的白天和夜晚各自長達13.5天。而火星有大氣，但非常稀薄，密度大約只有地球的1%。火星赤道中午時可達20℃，兩極最低溫度-140℃。巨大沙塵暴是火星大氣中獨有的現(xiàn)象，幾乎在每個火星年里都要發(fā)生一次，最大可達地球12級臺風的幾倍，而且一旦刮起來可持續(xù)3個多月。
由于月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期一樣，都是一個恒星月（27日7時43分11秒），所以在地球上只能看見月球的一面，背向地球的一面永遠看不見。而火星自轉(zhuǎn)周期為24小時37分，即火星上的一天幾乎和地球上的一樣長?；鹦枪D(zhuǎn)一周約為687天，即火星的一年約等于地球的兩年。
在月球上，除懸崖峭壁外，幾乎所有月面都覆蓋著平均厚度為3-5米的月壤。月壤的粒度分布很廣，但絕大部分顆粒在30微米到1毫米之間，摸起來跟面粉一樣細膩。而火星和地球一樣擁有多樣的地形，有高山、平原和峽谷，基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布，遍布遭隕星襲擊后因撞擊形成的坑坑洼洼。它最引人注目的地形特點是干涸的河床，多達數(shù)千條，蜿蜒曲折，縱橫交錯。它們主要集中在火星的赤道區(qū)域附近。
不一樣的路程
從上述對比可以看到，月球和火星大相徑庭，而這些差異直接影響到月球車和火星車的設計、研制、試驗、發(fā)射、著陸、巡視和探測等許多方面。
由于距離遠，對發(fā)射火星探測器的火箭要求也比較高。月球探測器進入地月轉(zhuǎn)移軌道的速度為10.9千米/秒。而火星探測器要進入地火轉(zhuǎn)移軌道的速度必須達到第2宇宙速度才行，即11.2千米/秒。因此，發(fā)射同等質(zhì)量的月球探測器和火星探測器時，后者要求用推力更大的火箭。
火星探測器飛往火星的時間和距離，比月球探測器飛往月球的時間和距離長得多，前者最快一般需約7個月，后者最快只需四五天就能到達目的地，所以對火星探測器的測控，要比對月球探測器的測控通信復雜得多。
同樣的一個信號，從月球發(fā)射到地球接收和從火星發(fā)射到地球接收要差100萬倍。正因此，測控火星探測器對探測器本身以及地面測控站，都提出了很高的要求，既要求火星探測器裝有高增益天線，也要求地面有天線直徑很大的深空測控站（天線的直徑和探測距離成正比，增大天線口徑可以增加探測距離）。近年，我國在佳木斯和喀什分別建成了直徑64米和35米S/X雙頻段地面深空測控站（以前是18米），它們能滿足未來火星探測器的測控要求，曾對距地球約1億千米的嫦娥2號進行了測控。
由于距離地球遠，火星探測器測控信號的傳輸延時很長，單向就達15-25分鐘，而月球探測器測控信號的傳輸延時單向僅為1秒多，對火星探測器的遙測遙控比月球探測器更為復雜，要求火星探測器有更高的自主性。
由于路途漫漫，火星探測器在飛往火星的途中，要進行比月球探測器次數(shù)更多、更精確的軌道修正才行，這樣才能準確地飛到火星。如果火星探測器在地火轉(zhuǎn)移軌道近地點有1米/秒的速度誤差或1千米的高度誤差，飛到火星附近時都將產(chǎn)生10萬千米的位置誤差。
因為火星探測器遠離太陽，它所受到的太陽輻射強度大大減弱，其太陽電池翼性能必須更高。另外，火星車的太陽電池翼還要能經(jīng)受火星巨大沙塵暴的考驗，美國第1代火星車，就是因為火星沙塵暴覆蓋了其太陽電池翼而沒有開展更長時間的探測工作。據(jù)悉，我國的火星車有4個太陽能電池板。
現(xiàn)在，我國火星探測面臨的難題是要一次完成“環(huán)繞、著陸、巡視”，而不能像“嫦娥工程”或國外大多數(shù)火星探測那樣，先發(fā)射軌道器幫助選擇合適的著陸地點，然后再發(fā)射著陸器在選好的著陸點著陸。這就需要事先掌握、分析其它火星探測器拍攝的大量火星圖片和研究成果，從中選擇幾個候選著陸地點；另外，還要通過我國火星環(huán)繞器發(fā)回的圖像最終確定著陸地點。
據(jù)悉，我國的火星著陸地區(qū)已初步選定在火星北緯5°至39°一帶。之所以選擇低緯度地區(qū)是由于我國火星車將用太陽能供電，從光照角度考慮，最理想的地方是火星赤道附近，但是火星赤道附近的地形復雜。另外，由于登陸火星99%以上的減速是靠大氣減速，因此著陸點海拔越低減速時間越長，著陸越安全。綜合考慮地形復雜度、高程、光照條件、溫度等因素，火星比較適合著陸點在北緯5°至39°的區(qū)域。
著陸“恐怖7分鐘”
月球沒有大氣，落月探測器不能依靠降落傘來減速進行軟著陸，而只能靠自己的發(fā)動機反推來減小下降速度，有人稱落月探測器著陸過程為“黑色700秒”。似乎在月表著陸比在有大氣的火星表面著陸更難。
其實，在火星上著陸也不容易，要經(jīng)歷“恐怖7分鐘”。由于火星探測器距離地球太遠，無法依靠地面遙控，所以有人稱火星探測器切入火星軌道的難度，相當于從巴黎打一個高爾夫球，正好落到了日本東京的某個球洞里。在探測器切入火星軌道后，如果要在火星表面著陸，其過程類似于返回式衛(wèi)星，但技術難度大得多，因為遙測和遙控信號十分微弱；另外，當探測器運動到火星背面時，地球無法準確地確定其軌道參數(shù)，這就給探測器再入高度的選擇帶來困難，許多探測器都因此功虧一簣。1999年12月3日，美國“火星極區(qū)著陸器”在即將登陸火星表面時，由于軟件錯誤導致其起減速作用的火箭發(fā)動機過早關閉，最終撞毀。2003年，歐洲獵兔犬2號著陸器在與火星“火星快車”軌道器分離后便失蹤了。
空間探測器在地外星球軟著陸方式目前主要有三種：一是氣囊彈跳式，二是著陸腿式，三是空中吊車式，每種方案都各有優(yōu)缺點。氣囊式比較簡單，成本低，但只能滿足重量小的探測器軟著陸要求；空中吊車式反之；著陸腿式介于它們兩者之間。
月球沒有空氣，蘇聯(lián)月球車1號、2號,美國“阿波羅”登月飛船和我國嫦娥3號月球探測器等，都采用緩沖發(fā)動機反推+著陸腿的方式?；鹦巧嫌锌諝猓诨鹦巧现憰r都要使用降落傘來減速，例如，美國海盜號、鳳凰號火星著陸器采用降落傘+緩沖發(fā)動機反推+著陸腿的方式；美國“火星探路者”、“火星漫游者”采用降落傘+氣囊彈跳的方式；美國“火星科學實驗室”采用降落傘+緩沖發(fā)動機反推+空中吊車的方式。
據(jù)悉，我國2020年發(fā)射的火星著陸器-巡視器組合體，將采用降落傘+緩沖發(fā)動機反推+著陸腿的方式，具體來說就是經(jīng)過氣動外形減速、降落傘減速、反推發(fā)動機減速，展開著陸腿，緩沖著陸到火星表面。其可能的原因是：我國的巡視器即火星車質(zhì)量較大，為200多千克；另外，我國有嫦娥3號在月球著陸的先進技術和經(jīng)驗可以借鑒，其中的懸停、避障技術居世界領先。
延伸閱讀
各有各的難處
我國2020年發(fā)射的火星車設計壽命3個火星月（相當于地球上的92天），裝有13臺科學載荷，其中包括不同分辨率的火星遙感相機，進行火星淺層結(jié)構(gòu)探測的淺層雷達等。為規(guī)避火星極端天氣的影響，將設置自主休眠和自主喚醒功能。
火星車在地外星球著陸后也不是萬事大吉。因為火星的重力比月球大許多，火星的氣候、表面的環(huán)境、行駛的路況也與月球千差萬別，所以在火星車的設計、研制和試驗等方面，都與月球車有許多不同，其中在某些方面月球車難度可能更大，例如：由于沒有大氣和月球自轉(zhuǎn)慢，月夜有長達13.5天的-180℃超低溫，所以落月探測器的熱控系統(tǒng)比較復雜。而火星車雖不會遇到這種惡劣的溫度環(huán)境，但它要經(jīng)受火星沙塵暴以及遠距離測控通信、能源供給等方面的考驗。
因為月球車和火星車行駛的路況、環(huán)境等不同，它們在移動分系統(tǒng)（包括輪子）、導航控制分系統(tǒng)、有效載荷分系統(tǒng)等方面也不完全一樣。例如，月球車可采用地面遙控與自主控制相結(jié)合的辦法進行巡視探測，而離地球遙遠的火星車需采用自主控制為主的辦法進行巡視探測；月球自轉(zhuǎn)慢，且沒有大氣，因此其上的探測儀器可對宇宙天體進行全波段連續(xù)觀測，而火星沒有這一優(yōu)勢；月球車如果落在月球背面，就必須依靠月球中繼衛(wèi)星與地球聯(lián)絡，而火星車不存在這個問題。
總之，雖然月球車和火星車有一些相同之處，研制時可以進行一定的相互借鑒，但由于它們所探測的星球有很大的不同，因此在設計時差別很大，各有各的難處?？偟膩碇v，火星車的研制和運行更難，這也是一般國家都是“先探月、后探火”的原因吧。
