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(cè)器，搭乘俄羅斯研制的“質(zhì)子”號(hào)火箭發(fā)射升空，標(biāo)志著“火星太空生物”合作項(xiàng)目的啟動(dòng)，火星探測(cè)再次成為世人矚目的焦點(diǎn)。近日，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮兼總設(shè)計(jì)師葉培建透露，目前我國(guó)已基本具備火星探測(cè)能力，有可能在2020年發(fā)射火星探測(cè)器。記者了解到，作為國(guó)家首個(gè)深空探測(cè)的973計(jì)劃研究由國(guó)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(lái)的星際探測(cè)器能夠精確、安全地著陸。

我國(guó)或于2021年登陸火星

“我國(guó)通過(guò)探月工程的實(shí)施，積累了深空探測(cè)的能力和人才隊(duì)伍，目前已基本具備火星探測(cè)能力。”近日，航天專家葉培建接受記者采訪時(shí)曾表示，我國(guó)有可能在2020年發(fā)射火星探測(cè)器，次年到達(dá)火星。“在中國(guó)之前，美、蘇、歐、印都有成功的火星項(xiàng)目。盡管我們不是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)的亞洲國(guó)家，但我們的起點(diǎn)和水平很高。與印度的‘曼加里安’號(hào)探測(cè)器只是繞火星赤道軌道飛行、只能看到火星‘腰帶’不同，中國(guó)第一個(gè)火星探測(cè)器將繞火星飛行，并對(duì)火星進(jìn)行全球探測(cè)。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(lái)’。”葉培建表示，對(duì)火星和小行星的探測(cè)，對(duì)探索宇宙奧秘，認(rèn)識(shí)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(wàn)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(wèn)題。最大的難點(diǎn)是著陸火星?；鹦擒壍朗堑诙钪嫠俣龋偌由匣鹦巧嫌猩硥m暴等不利條件，落火星比落月球難度大得多。”葉培建說(shuō)，“距離發(fā)射僅剩五年，時(shí)間很緊，但是我們很有信心，我們的團(tuán)隊(duì)是2013年實(shí)現(xiàn)中國(guó)探月工程完美落月的嫦娥三號(hào)團(tuán)隊(duì)。目前，包括通訊、著陸以及針對(duì)火星極端環(huán)境的各項(xiàng)技術(shù)都在進(jìn)行準(zhǔn)備。”

 深空探測(cè)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(gè)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(cè)器在著陸過(guò)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(zhǎng)于鐳，是“973計(jì)劃深空探測(cè)研究”青科大的負(fù)責(zé)人。

據(jù)于鐳教授介紹，國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目“行星表面精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制問(wèn)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(cè)的單位。該項(xiàng)目是針對(duì)我國(guó)在 “載人航天與探月工程”科技重大專項(xiàng)實(shí)施后所面臨的行星著陸探測(cè)技術(shù)需求，面向國(guó)家深空探測(cè)發(fā)展規(guī)劃的火星和小行星探測(cè)科技重大工程，推動(dòng)解決深空探測(cè)領(lǐng)域自主導(dǎo)航與制導(dǎo)控制中關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題的項(xiàng)目，也是我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域首個(gè)973計(jì)劃研究項(xiàng)目。

“黑色七分鐘”考驗(yàn)火星著陸

“與探月工程相比，探測(cè)器飛往火星面臨更多的問(wèn)題，其中能量和著陸是科學(xué)家面臨的兩大重要問(wèn)題。”于鐳教授告訴記者，飛行器長(zhǎng)期工作，距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，太陽(yáng)光越弱，飛到火星的話太陽(yáng)能電池的效率會(huì)很低，而靠其他星球引力提供能量又會(huì)耗費(fèi)更多的時(shí)間。探測(cè)器抵達(dá)火星后，著陸實(shí)時(shí)自主導(dǎo)航與控制又是一個(gè)難題?；鹦翘綔y(cè)器從130多公里的高空進(jìn)入火星大氣，時(shí)速高達(dá)21000公里（每秒5.9公里），要在短短七分鐘的時(shí)間內(nèi)，讓探測(cè)器的速度降至零，從而實(shí)現(xiàn)安全著陸。這也是所有火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)難度最大、失敗概率最高的關(guān)鍵時(shí)刻，被專家們稱為“黑色七分鐘”。在近地對(duì)接時(shí)探測(cè)器通?？梢詫?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控操作，但是到火星那么遙遠(yuǎn)的地方，光傳播過(guò)去至少需要8分鐘，這意味著探測(cè)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(cè)器接收，往來(lái)就需要至少16分鐘，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出探測(cè)器著陸所需的 “黑色七分鐘”。這么長(zhǎng)的時(shí)間，探測(cè)器可能已經(jīng)失去控制，撞毀到火星表面上了。因此探測(cè)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(huì)撞到火星表面。

 著陸必須一次成功

“為了使探測(cè)器安全著陸，探測(cè)器在接觸火星表面時(shí)需要將速度接近為零。但在深空中探測(cè)器飛行速度很快，如果著落不當(dāng)就會(huì)和星球表面撞上?；鹦潜砻姝h(huán)境到底是什么樣，沒(méi)有人去過(guò)?；鹦翘綔y(cè)器出發(fā)前，科學(xué)家通過(guò)研究天文觀測(cè)和之前火星觀測(cè)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(cè)器安全降落需要通過(guò)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(duì)星球表面環(huán)境特征的提取、跟蹤和導(dǎo)航算法的設(shè)計(jì)，而火星表面氣候變化多端，星表形態(tài)多種多樣等，對(duì)探測(cè)器如何精確著陸是極大的考驗(yàn)。一次探測(cè)需要耗費(fèi)很多的人力財(cái)力，著陸過(guò)程的一個(gè)小石子也不容忽視，都可能影響到整個(gè)任務(wù)的成敗。這不同于路面設(shè)備的測(cè)試，深空探測(cè)事先無(wú)法進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，只能盡可能地模擬著陸過(guò)程，而且必須一次成功。

“通俗地講我們研究的是探測(cè)器的軟件。”于鐳教授介紹說(shuō)，探測(cè)器上面有處理器，里面運(yùn)行著多種程序。當(dāng)著陸器的防熱罩拋掉后，處理器開(kāi)始運(yùn)行著陸程序，在下降著陸段探測(cè)器利用光學(xué)相機(jī)對(duì)火星表面進(jìn)行拍照以獲取火星表面的瞬時(shí)圖像，并通過(guò)程序運(yùn)算識(shí)別火星地面特征。探測(cè)器根據(jù)這些特征作為導(dǎo)航陸標(biāo)，對(duì)自己的位置、速度、姿態(tài)進(jìn)行估計(jì)，從而避開(kāi)大的石頭、隕石坑，選擇平坦的地面降落。隨著探測(cè)器高度下降，光學(xué)相機(jī)拍到的影像清晰度增加，探測(cè)器進(jìn)而能夠識(shí)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(kāi)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(lái)比較簡(jiǎn)單的工作，讓探測(cè)器自己完成實(shí)際上非常復(fù)雜，必須讓探測(cè)器有足夠的智能性，成為一個(gè)具有自主識(shí)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(cè)器的精確著陸。

 為什么要探測(cè)火星

人類自1960年以來(lái)已發(fā)射了四十余個(gè)火星探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了飛越火星、環(huán)繞火星探測(cè)、著陸器與火星車探測(cè)等多種探測(cè)方式，科學(xué)家為何如此熱衷于火星探測(cè)？

據(jù)悉，作為太陽(yáng)系中表面環(huán)境與地球最相似的天體，火星探測(cè)一直是深空探測(cè)的重要目標(biāo)。通過(guò)火星探測(cè)，有助于研究太陽(yáng)系的形成、演化及生命的起源；有利于揭示其它天體對(duì)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(shí)，火星表面精確著陸與采樣返回技術(shù)也為未來(lái)的載人火星探測(cè)提供經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)及技術(shù)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)火星的載人飛行探測(cè)被認(rèn)為是21世紀(jì)上半葉行星際探測(cè)的終極目標(biāo)?？茖W(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(gè)巨大的夢(mèng)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(kāi)辟新的生存空間。

中國(guó)月球探測(cè)工程首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)自遠(yuǎn)表示，目前科學(xué)家們已多次召開(kāi)“改造火星”的研討會(huì)，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(shí)施方案。大多數(shù)研究行星科學(xué)和深空探測(cè)的科學(xué)家堅(jiān)信，通過(guò)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(shuō)，火星是地外行星中“最耀眼的明星”，無(wú)論從探測(cè)次數(shù)還是認(rèn)知程度來(lái)說(shuō)，都是人類當(dāng)之無(wú)愧的“寵兒”。

  火星探測(cè)大事記

■1962年蘇聯(lián)火星1號(hào)探測(cè)火星，在飛離地球1億公里時(shí)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(cè)的開(kāi)端。

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

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

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

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

■1997年 美國(guó)首次將火星車“索杰納號(hào)”送上火星。

■2001年美國(guó)發(fā)射“奧德賽號(hào)”，發(fā)現(xiàn)火星上存在大量水冰，驗(yàn)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(cè)器“火星快車”，成果頗豐。

■2003年 美國(guó)發(fā)射“機(jī)遇號(hào)”，是目前在火星表面存留時(shí)間最長(zhǎng)的探測(cè)器。

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

■2012年 美國(guó)宇航局首輛核動(dòng)力火星車“好奇號(hào)”在火星成功著陸。

■2013年印度發(fā)射首顆火星探測(cè)器“曼加里安號(hào)”火星探測(cè)器，次年“曼加里安號(hào)”火星車成功進(jìn)入火星軌道，印度成為全球第四個(gè)成功進(jìn)行火星探測(cè)的國(guó)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(cè)器發(fā)射升空，預(yù)計(jì)于今年10月抵達(dá)火星。