什么是火星探测“飞掠、环绕、降落、巡视”四大类型任务？

火星是地球的邻居，但这个邻居并不算“近邻”。数据对比而言，地球赤道一周4万千米，光速仅需0.13秒便可环游。但地球与火星的距离在5500万-4亿千米之间变化，单程都需3-22分钟之久。更何况地球与火星每隔780天才有一次会合机会，会合前几个月的时间窗口适合开展火星探测，单程6-11个月的探测时间。茫茫深空中，失之毫厘，谬以千里，探测器的探索之旅着实不易。人类火星探测进行了60年，所有探测成功率仅一半左右，难度可想而知。

人类目前有四种火星探测任务示意图，未来在计划突破第五种：采样返回

根据技术发展过程和任务目标需求，探测火星的任务主要分为四种。

一、惊鸿一瞥：飞掠任务

顾名思义，这种任务只是在火星附近飞速掠过，趁着极短的时间抓住一切可能记录有用数据，随后滑入深空。相比动辄数月的深空旅行时间，观测火星的真正有效时间仅在1天左右。

对于以火星探测为最主要目标的昂贵任务而言，这是非常不理想的设计。然而，人类在60年代开启火星探测时，火箭运输能力不足，探测器自身推进系统能力有限，轨道控制和确定精度不足，很难让探测器制动减速留在环绕火星轨道，实属无奈之举。那时，能实现工程验证目标、得以一瞥火星真容就成为飞掠任务的核心，甚至连这个目标都很难：1960-1964年，苏美开启的火星探测大幕开局就是6次惨烈的失败。

水手四号和距离火星最近时拍到的火星细节©️NASA

失败并不可惧，一切总会迎来曙光。1964年11月28日发射的水手4号终于成功，它于1965年7月15日最近距离火星约1万千米飞掠而过。在短暂观测时间内，探测器努力控制住镜头和各种科学仪器对准火星，记录了22张火星图片和磁场、温度、大气等研究数据，随后滑入深空，与火星永远再见。

随着技术逐渐成熟，以飞掠为目标的火星探测任务逐渐消失，但也有一些探测地球外侧星体的任务“兼职”飞掠探测火星。例如探测彗星的罗塞塔号、探测小行星带的黎明号都曾飞掠火星，2018年发射的洞察号着陆器也带了两颗微小卫星飞掠火星。

二、登高望远：环绕任务

随着探测器技术的进步，靠近火星后已经可以依靠自身动力制动进入环绕火星的大椭圆轨道。如果推进能力更强、或者借助火星顶部稀薄大气缓慢“大气刹车”，甚至可以直接变轨成圆形轨道，保持稳定的轨道高度更有效观测火星。

由于环绕器（轨道器）能够长期环绕火星，登高望远，能采集海量的数据，全方位研究火星的磁场、大气层、重力场、水、浅层土壤等方面，极大丰富了人类对火星的认知。此外，环绕器还能起到至关重要的信号中继作用，服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器。其中一个著名的任务是2001年发射的奥德赛号，它已经工作了19年，且这个数据还在不断延长！

火星奥德赛号©️NASA

三、观天测地：降落任务

降落（软着陆）任务的最大优势是能仔细研究火星表面的各种细节，尤其是对水、气象、底部大气、土壤成分、地表地貌、潜在有机物和深层土壤的研究。但需要说明的是，由于重量和能量限制，着陆器自身不可能携带巨大的天线与地球直接联络，它仅能将所有信息发给火星上空的环绕器，让后者代为转发。著名任务如2018年发射的洞察者号，它可以深入火星内部数米，研究火星内部热流和地震等。

洞察者号着陆器©️NASA

火星降落是人类航天的天顶科技之一，最典型特点是着陆系统需要完全自主导航控制完成着陆之旅。标准的火星着陆过程持续时间仅7分钟左右，远不够完成一次地火通讯，这意味着全程多个复杂的动作，例如剧烈冲击下姿态控制、超声速下打开降落伞、抛隔热大底、降落伞和支撑结构脱离、反推火箭工作、悬停避障、减速软着陆等必须依靠着陆器自主完成，对软件和硬件的要求极高。

四、自由移动：巡视任务

巡视器又名火星车，它相比不能移动的着陆器而言，最大优势在于可以随处移动，意义不言而喻。由于不带有固定着陆器必须携带的推进剂储罐、着陆腿、支撑结构、控制机构等复杂部分，巡视器可以集中于科研载荷，从事多地点多方面的精细研究。

因此，火星车是近些年火星探测的核心，复杂程度越来越高，待机工作时间也越来越长。一些著名的任务，例如勇气号、机遇号火星车使用太阳能电池板实现了远超预期90天的工作时间。昂贵的好奇号火星车花费超过25亿美元，它采用了放射性同位素电机（又名核电池）为主要动力，可以全天候工作，且超能长待机，着陆火星8年后至今仍在火星工作。

好奇号火星车在火星的自拍，为视觉效果机械臂已经抹去©️NASA

(本文已首发国家航天局官网)