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　　原標(biāo)題：瞧！他們在為火星探測器指路

　　3月14日歐洲航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天署聯(lián)合研制的“Ex－oMars 2016”火星探測器，搭乘俄羅斯研制的“質(zhì)子”號火箭發(fā)射升空，標(biāo)志著“火星太空生物”合作項目的啟動，火星探測再次成為世人矚目的焦點。近日，嫦娥一號衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮兼總設(shè)計師葉培建透露，目前我國已基本具備火星探測能力，有可能在2020年發(fā)射火星探測器。記者了解到，作為國家首個深空探測的973計劃研究由國內(nèi)10家科研單位共同承擔(dān)，青島科技大學(xué)作為我省唯一一家單位位列其中。青島科技大學(xué)研究的課題，就是確保未來的星際探測器能夠精確、安全地著陸。

　　我國或于2021年登陸火星

　　“我國通過探月工程的實施，積累了深空探測的能力和人才隊伍，目前已基本具備火星探測能力。”近日，航天專家葉培建接受記者采訪時曾表示，我國有可能在2020年發(fā)射火星探測器，次年到達(dá)火星。“在中國之前，美、蘇、歐、印都有成功的火星項目。盡管我們不是第一個實現(xiàn)火星探測的亞洲國家，但我們的起點和水平很高。與印度的‘曼加里安’號探測器只是繞火星赤道軌道飛行、只能看到火星‘腰帶’不同，中國第一個火星探測器將繞火星飛行，并對火星進(jìn)行全球探測。此后，進(jìn)入器載著巡視器著陸火星，巡視器將在火星‘走起來’。”葉培建表示，對火星和小行星的探測，對探索宇宙奧秘，認(rèn)識宇宙大爆炸，尋找地外人類宜居環(huán)境等有非常重要的意義。

　　“地球到月球約40萬公里，到火星最遠(yuǎn)約4億公里。目前，我們已經(jīng)突破了4億公里通信問題。最大的難點是著陸火星。火星軌道是第二宇宙速度，再加上火星上有沙塵暴等不利條件，落火星比落月球難度大得多。”葉培建說，“距離發(fā)射僅剩五年，時間很緊，但是我們很有信心，我們的團(tuán)隊是2013年實現(xiàn)中國探月工程完美落月的嫦娥三號團(tuán)隊。目前，包括通訊、著陸以及針對火星極端環(huán)境的各項技術(shù)都在進(jìn)行準(zhǔn)備。”

　　深空探測青科大占一份

　　在青島科技大學(xué)老校一棟不起眼的小樓里，有一個自主導(dǎo)航與智能控制研究所，研究所承擔(dān)的工作就是確保探測器在著陸過程中自主導(dǎo)航的一部分。自主導(dǎo)航與智能控制研究所所長于鐳，是“973計劃深空探測研究”青科大的負(fù)責(zé)人。

　　據(jù)于鐳教授介紹，國家973計劃項目“行星表面精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制問題研究”由北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)等10家單位共同承擔(dān)，其中青島科技大學(xué)是我省唯一一所參與深空探測的單位。該項目是針對我國在 “載人航天與探月工程”科技重大專項實施后所面臨的行星著陸探測技術(shù)需求，面向國家深空探測發(fā)展規(guī)劃的火星和小行星探測科技重大工程，推動解決深空探測領(lǐng)域自主導(dǎo)航與制導(dǎo)控制中關(guān)鍵基礎(chǔ)問題的項目，也是我國深空探測領(lǐng)域首個973計劃研究項目。

　　“黑色七分鐘”考驗火星著陸

　　“與探月工程相比，探測器飛往火星面臨更多的問題，其中能量和著陸是科學(xué)家面臨的兩大重要問題。”于鐳教授告訴記者，飛行器長期工作，距離太陽越遠(yuǎn)，太陽光越弱，飛到火星的話太陽能電池的效率會很低，而靠其他星球引力提供能量又會耗費更多的時間。探測器抵達(dá)火星后，著陸實時自主導(dǎo)航與控制又是一個難題。火星探測器從130多公里的高空進(jìn)入火星大氣，時速高達(dá)21000公里（每秒5.9公里），要在短短七分鐘的時間內(nèi)，讓探測器的速度降至零，從而實現(xiàn)安全著陸。這也是所有火星探測任務(wù)中技術(shù)難度最大、失敗概率最高的關(guān)鍵時刻，被專家們稱為“黑色七分鐘”。在近地對接時探測器通常可以實現(xiàn)實時監(jiān)控操作，但是到火星那么遙遠(yuǎn)的地方，光傳播過去至少需要8分鐘，這意味著探測器從火星發(fā)回的信息都是8分鐘之前的，指令發(fā)出后再需要至少8分鐘傳輸給探測器接收，往來就需要至少16分鐘，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出探測器著陸所需的 “黑色七分鐘”。這么長的時間，探測器可能已經(jīng)失去控制，撞毀到火星表面上了。因此探測器必須具有自主導(dǎo)航、控制和障礙規(guī)避的能力，飛行器才不會撞到火星表面。

　　著陸必須一次成功

　　“為了使探測器安全著陸，探測器在接觸火星表面時需要將速度接近為零。但在深空中探測器飛行速度很快，如果著落不當(dāng)就會和星球表面撞上。火星表面環(huán)境到底是什么樣，沒有人去過。火星探測器出發(fā)前，科學(xué)家通過研究天文觀測和之前火星觀測傳回的照片，分析確定了大致的一片降落區(qū)域。但由于火星表面的復(fù)雜性和不確定性，探測器安全降落需要通過自主導(dǎo)航與智能控制才能夠完成。”于鐳教授告訴記者，目前，研究所研究的課題主要包括對星球表面環(huán)境特征的提取、跟蹤和導(dǎo)航算法的設(shè)計，而火星表面氣候變化多端，星表形態(tài)多種多樣等，對探測器如何精確著陸是極大的考驗。一次探測需要耗費很多的人力財力，著陸過程的一個小石子也不容忽視，都可能影響到整個任務(wù)的成敗。這不同于路面設(shè)備的測試，深空探測事先無法進(jìn)行實地測試，只能盡可能地模擬著陸過程，而且必須一次成功。

　　“通俗地講我們研究的是探測器的軟件。”于鐳教授介紹說，探測器上面有處理器，里面運行著多種程序。當(dāng)著陸器的防熱罩拋掉后，處理器開始運行著陸程序，在下降著陸段探測器利用光學(xué)相機(jī)對火星表面進(jìn)行拍照以獲取火星表面的瞬時圖像，并通過程序運算識別火星地面特征。探測器根據(jù)這些特征作為導(dǎo)航陸標(biāo)，對自己的位置、速度、姿態(tài)進(jìn)行估計，從而避開大的石頭、隕石坑，選擇平坦的地面降落。隨著探測器高度下降，光學(xué)相機(jī)拍到的影像清晰度增加，探測器進(jìn)而能夠識別更小的石塊，從而進(jìn)行標(biāo)記和規(guī)避，最終尋找到最完美的降落地。就像駕駛員開車需要看交通指示牌一樣，才能夠知道自己在哪，否則就可能迷路，到不了目的地。這些看起來比較簡單的工作，讓探測器自己完成實際上非常復(fù)雜，必須讓探測器有足夠的智能性，成為一個具有自主識別、自主導(dǎo)航、自主控制能力的智能機(jī)器人，才能保證探測器的精確著陸。

　　為什么要探測火星

　　人類自1960年以來已發(fā)射了四十余個火星探測器，實現(xiàn)了飛越火星、環(huán)繞火星探測、著陸器與火星車探測等多種探測方式，科學(xué)家為何如此熱衷于火星探測？

　　據(jù)悉，作為太陽系中表面環(huán)境與地球最相似的天體，火星探測一直是深空探測的重要目標(biāo)。通過火星探測，有助于研究太陽系的形成、演化及生命的起源；有利于揭示其它天體對地球可能存在的影響；有助于發(fā)現(xiàn)可為人類利用的能源和資源。同時，火星表面精確著陸與采樣返回技術(shù)也為未來的載人火星探測提供經(jīng)驗基礎(chǔ)及技術(shù)驗證，實現(xiàn)火星的載人飛行探測被認(rèn)為是21世紀(jì)上半葉行星際探測的終極目標(biāo)。科學(xué)家認(rèn)為，火星上可能存有生命和液態(tài)水，尋找生命和水就成為世界科學(xué)家一個巨大的夢想。如果火星上有生命和水，它可能就是適合人類居住的另一顆行星，人類也就有可能向火星移民，開辟新的生存空間。

　　中國月球探測工程首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士歐陽自遠(yuǎn)表示，目前科學(xué)家們已多次召開“改造火星”的研討會，嚴(yán)肅探討了將火星改造成“藍(lán)色行星”的可能性，提出了改造愿景、科學(xué)步驟和實施方案。大多數(shù)研究行星科學(xué)和深空探測的科學(xué)家堅信，通過人類的智慧和努力，火星完全能被改造成生機(jī)盎然的“小地球”，再現(xiàn)“青山綠水”，成為人類的“第二家園”。可以說，火星是地外行星中“最耀眼的明星”，無論從探測次數(shù)還是認(rèn)知程度來說，都是人類當(dāng)之無愧的“寵兒”。

　　火星探測大事記

　　■1962年蘇聯(lián)火星1號探測火星，在飛離地球1億公里時與地面失去聯(lián)系，從此下落不明，它被看作是人類火星探測的開端。

　　■1964年 美國發(fā)射 “水手4號”，是世界上第一枚成功飛臨火星并發(fā)回數(shù)據(jù)的探測器，傳回了世界上第一張地球外其他行星的近距離特寫照片。

　　■1971年美國發(fā)射“水手9號”，是有史以來第一枚成功進(jìn)入環(huán)繞火星軌道的探測器，首次拍攝到火星全貌。

　　■1971年蘇聯(lián)發(fā)射“火星3號”，它的著陸器成為首個在火星表面著陸的探測器。

　　■1975年美國發(fā)射“海盜1號”，翌年成功著陸，并向地球發(fā)回照片。其兄弟“海盜2號”發(fā)現(xiàn)火星土壤中存在化學(xué)活動。

　　■1997年 美國首次將火星車“索杰納號”送上火星。

　　■2001年美國發(fā)射“奧德賽號”，發(fā)現(xiàn)火星上存在大量水冰，驗證了科學(xué)家之前“火星上有水”的猜想。

　　■2003年 歐洲發(fā)射火星探測器“火星快車”，成果頗豐。

　　■2003年 美國發(fā)射“機(jī)遇號”，是目前在火星表面存留時間最長的探測器。

　　■2008年 美國“鳳凰號”探測器成功登陸火星，后失去聯(lián)系。

　　■2012年 美國宇航局首輛核動力火星車“好奇號”在火星成功著陸。

　　■2013年印度發(fā)射首顆火星探測器“曼加里安號”火星探測器，次年“曼加里安號”火星車成功進(jìn)入火星軌道，印度成為全球第四個成功進(jìn)行火星探測的國家。

　　■2016年歐洲航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天署聯(lián)合研制的“ExoMars2016”火星探測器發(fā)射升空，預(yù)計于今年10月抵達(dá)火星。