火星表面的地形和大气环境对着陆器有何影响

作为人类探测红色星球的新兵，“洞察号”2021年11月才登上火星，今年2月，“鼹鼠”就已经被困住，究竟是什么原因？除了此次受挫，人造探测器在火星上还遇到过哪些问题？火星的环境究竟有多特殊，导致来自地球的访客各种水土不服？

无论是“洞察号”的“鼹鼠”还是“好奇号”的计算机，其在踏上火星之旅前都会在地球经历无数次的试验，但是当它们登上火星之后，还是会遇到各种意想不到的问题。比如“鼹鼠”曾在地面模拟的火星土壤中仅用27个小时就掘进5米，而到达火星后却数月止步不前。

首先，火星大气密度低，仅为地球的1%，同时没有稳定的磁场，导致表面辐射较强；其次，火星温度低且变化剧烈，在“海盗号”探测器登陆点，夏季土壤最高温度仅为27℃，凌晨最低温度却有-18℃，冬天最低温度更是降为到-107℃，每天最高温度和最低温度平均相差40℃；再者，火星地形起伏更大，南半球海拔高却坑坑洼洼，北半球海拔低遍布沉积物、火山、风化物。更致命的是，火星风沙大，春夏两季易发沙尘暴，风速高达每秒30米，相当于11级暴风。

　　因此，针对火星环境的这些特点，研制火星表面探测器，要重点解决抗辐射、温控、崎岖地形行驶等问题，特别是针对沙尘暴的结构密封、表面耐磨、抗粉尘积累等技术难题。

委员会根据火星上的危险来源或原因对其进行分类，它明确了火星上的物理危害和化学和生物危害，因为物理危害可以通过与人类或关键设备进行物理相互作用来威胁船员安全，例如，导致撞击、磨损、倾覆或辐照。

众所周知，人类在火星表面将经历的引力大约是地球上的 3/8 。委员会注意到，在 3/8 个地球重力环境中居住对人类健康的长期影响鲜为人知，这些长期影响可能对火星上的宇航员构成危险。然而，由于没有必要进行进一步的前体任务来量化火星上的重力，委员会没有将低重力环境纳入本报告讨论的危害。

可能对火星机组人员安全构成风险的物理环境分为三类：地质、大气和辐射。本章根据目前已知的危害和需要知道什么来建立对前往火星的人类飞行任务安全的信心，详细阐述上述每个类别。

这项研究感兴趣的地质特征是机载尘埃、风化层和地形。平均直径为 3.4 微米的机载尘埃是最小的地质特征。火星风化层是火星表面裂缝岩石和土壤的复杂外层，这是支持宇航员和漫游车穿越火星表面的材料。

风化层的聚集形式创造了火星的地形，“地形”一词包括山脉、丘陵、山谷和峡谷等大型特征，以及陨石坑、沙丘和沟壑等小规模特征，火星上最小的地形包括巨石和岩石场。

当飞机在地球表面附近飞行时，飞行员必须知道地下地形的形状和组成，无论是海洋、森林、沙漠还是混凝土跑道。降落在火星上的任务也是如此，但在这种情况下，地形不包括任何准备好的着陆表面。火星登陆艇将设计成在广泛的地形上着陆，但着陆器设计的成本和重量考虑将要求任务规划者瞄准最良性着陆区。

同样，还必须研究着陆点周围的地形，特别是宇航员将活动的地区，以确保为宇航员提供最适合其操作环境的设备。例如，如果它们穿过直径为 5 到 8 厘米的岩石相对平坦的平原，一个方向盘相当窄的载人漫游车，类似于阿波罗月球车，可能就足够了，如果同一平原覆盖着直径三分之一米的巨石。

2021年你说它不平凡，它还真的是一点都不简单，有喜有忧。在疫情冲击下全球经济的不景气，人们正常的工作、生活多少也受到了影响。

美国在高端芯片上针对华为的制裁更是牵动着全国亿万人民的心，这一点目前来说尤其让我们忧心，但是我国的航天事业在今年依旧稳步向前，这是值得我们欢喜的事情。

例如5月5号长征五号B首飞成功，并试验了新一代的载人飞船实验船取得了圆满的成功，这艘新的宇宙飞船是我国未来实现载人登月、空间站建设运行的具有国际一流水平的天地往返飞行器，铺就了通往太空的新“天路”。

接下来更加值得我们期待的是今年的7月份，包括我国在内的“天问一号”、美国的“毅力号”和阿联酋的“希望号”都要在这个时间段飞往火星，这也是人类首次在同一时间段对火星进行的比较密集的探测计划。

为什么都要选择在7月份发射呢？因为这是一个向火星发射宇宙飞船的窗口期，我们知道火星和地球都处在绕太阳运行的椭圆轨道上，且地球在火星轨道的内侧，公转运行速度要快于火星。

每26个月地球就会追上火星会处在相距较近的位置，这时我们发射探测器可以利用更小的能量到达目的地。

不过即使是最近的位置，地球和火星的距离也足有5500万公里，是地月距离的150倍，从距离上看，去往火星的难度和去往月球的难度根本就不在一个级别上。

不过这里需要注意的是，去火星和去月球一样，是需要通过探测器变轨来实现的，而不是直接飞过去，利用推进器推动探测器去追火星，人类目前的能力还没这么刚！

上图就清楚的解释了探测器达到火星的方式，其实一开始时地球和火星并非最近，而是相对来说比较近，并且火星处在地球的前方相距一段距离。

这时我们在地球上发射探测器，并且利用火箭的推力将探测器送到绕地球更大的椭圆轨道上。轨道越大，就代表着探测器的运行速度要非常的快，这就需要运载能力足够大的火箭来承担发射任务。

以前我们进行探测月球任务，用来发射“嫦娥系列”的火箭为长征3号乙增强型运载火箭，这枚火箭的地月转移轨道运载能力大约近4吨，它将总重量为3.8吨的嫦娥四号（着陆器、玉兔二号月球车）送入地月转移轨道已经到达了极限。

而地火转移轨道更远，并且这次的火星任务是三套餐组合，包括火星轨道环绕器、着陆器、巡视车（火星车），总重量更大，因此长征3号系列的火箭已经无法满足行星探测计划。

这就是我们为什么要研制长征5号的原因，它是我国未来行星探测、深空探测的主力火箭，运载能力更大，可以将探测器推向更远的深空。

这次的火星探测计划使用长征5号遥四火箭，首先将探测器推向更高的绕地轨道，利用地球在火星轨道内侧更快的速度追上火星，在接近火星的时候，通过改变探测器的运行方向，进入环绕火星的椭圆轨道。

在探测器进入火星轨道以后，如果这时探测器依旧没有失联，这只能说明火星探测任务只成功了一小半，接下来更加凶险、紧张的环节才刚刚开始。

这次的火星探测计划我们除了要让探测器环绕火星轨道运行以外，还要实现着陆器和巡视器的火星再入、降落和着陆，这三个过程是火星任务的难点，也是历史上火星任务最容易失败的地方。

自1960年前苏联向火星发射探测器以来已经过去了60年，人类相继向火星发射的47个探测器，上图可以看出前期的任务基本都是以失败告终，部分成功也实属罕见。

到了21世纪，火星任务才逐渐有了起色，不过总的成功次数不到20次，失败率更是高达50%以上。其中的着陆任务成功率更是低的可怜，只有40%左右。

这足以说明火星探测任务的难度有多大，我们也将“再入”火星的过程形象的称为“恐怖7分钟”。

探测器进入火星轨道以后首先会通过降轨来接近火星，当运行到预定的轨道和进入点时，探测器会释放着陆器和巡视器这两个组合，并进入火星大气层。而探测器继续围绕火星运行，为着陆器提供中继通讯链路。

在7分钟内，着陆器要通过反推发动机保持下降时的姿态正确，并且在预定的高度打开降落伞，并利用主推进器实现平稳着陆，然后释放巡视器，对特定地点展开科学考察。

这里的难点是，由于火星和地球的距离十分遥远，存在信息传输的延迟，所以在着陆器进入火星大气层以后这一系列的动作地球上的控制室无法操控，必须依靠着陆器自主完成，并且需要一气呵成，不能存在任何的偏差。否者就像是高空自由落体一样，摔得细碎。

其次火星距离太阳比较远，且有稀薄的大气层，光照度肯定会较于月球大打折扣，且火星地形比较复杂，时不时都会遇见沙尘暴，这也是着陆器登陆火星以后需要面临的考验。

相信大家已经看出来了，这次的火星任务要同时实现三个目标，也就是“绕”“落”“巡”一次完成，任务起点非常高，也是其他国家前所未有的先例。

因为自人类探测外行星以来，其实包括月球在内，“绕”“落”“巡”都是分开逐步完成的，没有哪个国家一开始的给自己定下这么重且难的目标。这足以说明我国在近些年来通过月球任务积累下了足够的经验，也说明了我国现在的航天科技水平以及航天人的自信。

虽然这些事情美国和俄罗斯在上世纪的六七十年代都已经完成了，我们现在算是在走别人走过去的路，在完成别人已经完成的任务，但是近些年来美国和俄罗斯在外太空行星的探测任务上并没多大的建树。

依旧是吃着老本，目标也是火星任务，如果这次我国成功实现火星探测的成功，可以说是一次史无前例的“弯道超车”。成为继美国和俄罗斯之后第三个具有外行星和深空探索能力的国家。

如果这次任务圆满成功，我国将进入真正意义上的航天强国，这跟载人登月的意义一样重大，未来的2030年我们还计划实现在火星上的采样返回。

而美国也计划在同一时期完成同样的任务，这说明我们在航天事业上已经和老美有平起平坐的感觉了。

“天问一号”是我国征服外行星和深空的第一步，未来还会有土星探测的“天问二号”，木星的“天问三号”，直到离我们最远的海王星等等...

“天问一号”代表着我国进入航天强国的第一步，意义非凡。如果成功，载人登月那也是想不想去的事，而不是能不能去的事。你细品，今年7月有多重要...，大家拭目以待吧。

近日，一则“天问一号着陆巡视器稳稳降落于火星表面”的消息，引发了广大网友们的热议，在网上闹的沸沸扬扬。那么，天问一号着陆都有哪些难题呢？第一就是选址问题。在天问一号着陆之前的三个月里，每天都在观察火星的地理情况，选址选了3个月的时间。第二，需要耐高温和保持平衡的姿态。因为在下落中速度特别快，表面温度极高。而且需要保持和合适的姿态，否则就会失败。第三，就是延迟的问题。因为地球距离火星过于遥远，延迟的时间达到了20分钟。那么具体的情况是什么呢？我来给大家分享一下我的看法。

首先就是选址的难点。在火星开始着陆之前的三个月里，天问一号每天都在围绕着火星进行地形的观察。使用中分辨率大范围的观察火星的地形，气候等等。使用高分辨率观察小范围的小石子的分布情况，以及路面的坡度等等。

其次就是需要耐高温和控制好姿态。在下降的过程中速度极快，会产生很高的温度，让天问一号看起来像个火球一样，这需要天问一号能够耐的住高温。其次在下降的途中需要它保持好自己的姿态，一旦有所偏移等等，就会导致着陆的失败。

最后就是延迟问题。由于地球距离火星太过于遥远，信号从火星传回到地球需要20分钟的时间，也就是有着20分钟的延迟。这样的话是没有办法去认为控制纠正的，全部都凭借天问一号自己控制自己。

以上就是我对于这个问题所发表的看法，纯属个人观点，仅供参考。大家有什么不同的看法都可以在评论区留言，大家一起讨论一下。