登陆火星的“黑色七分钟”

人类飞向火星

由于航天飞行能力的约束，在可以预见的将来，人类还无法飞出太阳系。而在太阳系内，只有火星的自然环境与地球最相似，是太阳系中唯一经改造后适合人类长期居住的天体，也是人类移居外星球的首选目标。

毫无疑问，人类探索火星的道路将充满挑战，但这种挑战和冒险精神，才是人类社会蓬勃发展的原生动力。从深空探测的发展战略分析，不管是载人重返月球还是载人登陆小行星，最终瞄准的目标都是载人登火星，只是实现途径不同而已。载人登陆后，人类将朝着建立火星前哨站、改造火星环境、火星移民的长远目标逐步迈进。

由于地球和火星都是运动的天体，所以从地球出发的火星探测器并非任何时候都可以发射，而是每隔2年零2个月（780天）才有一次发射机会，这样的发射机会称为“发射窗口”。也就是说，火星探测器的“发射窗口”每隔26个月才会打开一次。这是因为每隔780天，太阳、地球、火星就会排列成一条直线，这被称为火星冲，此时是发射火星探测器的好机会。更进一步，如果发生火星冲的时候，火星正好处于离太阳最近的位置（近日点），这时火星与地球的距离也最近，称为火星大冲。

火星大冲每隔15～17年才会发生一次，所以每到这个难得的时机，往往就成为各国竞相开展火星探测的丰年。上一次火星大冲出现在2003年8月23日，当时火星距离地球5575万公里。这一年的6月2日，欧洲发射“火星快车号”环绕探测器和“猎兔犬2号”火星车，6月10日美国发射“勇气号”火星车，7月7日美国再次发射“机遇号”火星车。下一次火星大冲将在2018年7月出现，届时火星距离地球5759万公里。三年后，我们就将看到另一场火星探测的盛宴。

20年后的2035年9月，是另一个火星大冲，届时火星距离地球5691万公里，人类航天史上继阿波罗登月之后最伟大的时刻可能上演。基于对航天技术能力和火星探测战略的认识，我们预测：人类有望在未来20年左右首次登陆火星表面。如果2035年没能实现载人登陆火星的话，下一次机会就只能等到2050年了。

黑色七分钟

火星探测的方式主要包括遥感探测和着陆探测两种。遥感探测主要通过轨道器实现，目的是对火星表面开展全球性遥感；着陆和巡视探测主要通过着陆器和火星车来实现，目的是对火星表面重点地区开展定点精细探测，并寻找火星曾经或现在存在生命的证据。

轨道器飞行在火星大气层之外，技术上相对容易一些。而如果是火星车或着陆器，则需要穿过火星大气层才能“踏”上火星表面，这期间需要经历惊心动魄、生死攸关的一幕。

探测器从130多公里的高空进入火星大气，时速高达21000公里（每秒5.9公里），要在短短七分钟的时间内，让探测器的速度降至零，从而实现安全着陆。这也是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻，被称为“黑色七分钟”。

上世纪六七十年代，前苏联对火星探测很有热情，发射了世界上第一个火星探测器，并在每个发射窗口几乎都会发射3～4颗火星探测器，雄心勃勃地希望在火星探测上占据领先地位，但失败接二连三，严重地打击了自信心。在前苏联（包含俄罗斯）已经发射的17颗火星探测器中，只有3颗算是基本成功，其中有1颗还是部分成功（成功着陆，但没有获得有意义的成果），整体成功率不足18%。

相比而言，美国迄今为止共发射17颗火星探测器，其中成功13颗，成功率高达76%。近年来，欧洲、印度、日本等国家和地区的组织在火星探测方面也多有动作，其中，印度于2013年11月5日先于中国发射亚洲首颗火星探测器。作为深空探测的后起之秀，面对世界航天发展的新形势，我们必须突出重点、有所作为，积极规划自主火星探测，在人类探索太阳系的征程中做出与大国地位相适应的贡献。

如何安全着陆

回顾世界各国的火星探测历史，我们发现，安全着陆在火星表面主要通过3种方式来实现：

第一种方式是气囊缓冲。1996年12月4日发射的“火星探路者”采用气囊缓冲成功着陆至火星表面，初步验证了火星大气进入、减速和着陆缓冲全过程的可行性；2003年6月和7月分别发射的“勇气号”与“机遇号”火星车，使气囊缓冲着陆的方式得到了充分验证，成功实现了对火星表面较大范围的巡视。

第二种方式是着陆支架缓冲。2007年8月4日发射的“凤凰号”着陆器比“机遇号”和“勇气号”更重，如果依靠降落伞和安全气囊着陆，则须使用更大的降落伞、更重的气囊，但这又会占用本该用于科学仪器的重量。因此，“凤凰号”采用了着陆支架缓冲的方式，实现了在火星北极地区的安全着陆。

第三种方式是空中吊车着陆。2011年11月26日发射的“好奇号”火星车（又叫“火星科学实验室”）的重量将近1吨，是“勇气号”、“机遇号”火星车的5倍，长度是它们的2倍，携带了众多的先进探测设备。为实现这个“大块头”的安全着陆，“好奇号”任务团队研发了新的着陆方式——天空起重机，实现了更大质量载荷的大气进入、减速、着陆。在经过大气摩擦减速和降落伞减速后，“好奇号”的“空中吊车”开启8台反推发动机，从而进入主动减速的缓慢下降段。空中吊车和“好奇号”火星车组合体的速度降至0.75米/秒之后，空中吊车用缆绳将火星车缓慢下放。当火星车下降到距地面的某个设定高度时，缆绳被自动切断，从而实现火星车在一定距离范围内的安全着陆。