如何看待2020年我国的火星探测活动？

从三个角度来看：

角度一：能否说明我国航天技术实现了弯道超车？

很遗憾地说，并不能。

我国只是在补拖欠了几十年的旧账：航天领域内火星深空探测的巨大短板。

我国自从1992年起开始全力攻克载人航天，终于成为了继美苏之后打破载人航天技术的第三个国家。美苏两国在60-70年代就获得了成熟的载人飞船、货运飞船、载人空间站、载人火箭、空间交会对接技术等多方面积累，直到21世纪后，中国才成为第三个，直到今天这三家的格局也没有改变。无人探测月球软着陆方面，中国也是第三个。中国航天已经是个强者。

但是在航天的另一个方面，深空探测，我国依然是个弱者，火星探测尤其弱。

苏联和美国在1960年前后就开始了火星探测，虽然火星探测难度很大，但两国坚持不懈努力，美国后来居上成为执牛耳者，早在1975年美国的两个维京海盗号着陆器就出发前往火星，随后在那里软着陆并利用核电池工作了多年才退役。维京任务就是典型的火星轨道器和着陆器结合的任务。

维京海盗号（图源：NASA）

再到后来，俄罗斯加入探测、欧空局加入火星探测、日本加入探测，甚至印度都加入了探测。

印度曼加里安号（图源：NASA）

尤其是印度探测器曼加里安号轨道器，成本极低，仅为美国同类探测器的十分之一预算。利用自己的火箭和制造的探测器，印度创造了一个不可思议的第一：人类史上唯一首次探测火星就大获成功的国家。从2013年发射后一直工作到了今天，简直是个奇迹。

目前，还有越来越多国家有火星探测计划在进展中，甚至阿联酋都在砸钱努力成为阿拉伯世界的代表。

我国在2011年曾经与俄罗斯一起探测火星，借助俄罗斯火箭发射了萤火一号，但最后不幸火箭故障，任务失败，但随后数年内，并没有重启的动作。

而与此同时，美国的奥德赛号、勇气号、机遇号、MAVEN、火星轨道侦察器、好奇号、凤凰号、洞察号等一系列轨道器/着陆器/火星车在火星探测中风光无限，几乎垄断了人类对火星的全部认知。欧洲的火星快车和ExoMars也新闻频出，例如火星地下水湖的发现。日本也进行了超高难度的月球借力探测，不过遗憾最后失败。而印度，则让人大吃一惊。

从这个角度说，中国目前的进展并不算快，只能算是补交作业。甚至由于欠下的作业太多，这次任务要一次性完成很多任务，绕落巡火星，这是个极难的作业。

角度二：那对中国航天意味着哪些突破？

主要是一系列技术的大突破，这些对中国航天而言都是前所未有的挑战。

1.重型运载火箭的深空探测能力

所有的深空探测任务都有一个最基本的目标：逃离地球。达到第二宇宙速度（逃离地球，速度11.2千米/秒）所需要的能量（与速度的平方成正比）也大大高于第一宇宙速度（环绕地球，速度7.9千米/秒）。这也就意味着必须使用超级强力的火箭，也仅是“大牛拉小车”。

举个例子：土星五号登月火箭是人类史上最强火箭，超过3000吨，但它仅能运送45吨左右到月球。

宇宙神5-541火箭和好奇号组合体（图源：ULA/NASA）

宇宙神5-541火箭重540吨以上，它运送的好奇号组合体仅3.8吨。

中国火星探测器组合体约4-5吨，这基本意味着全世界能完成直送发射任务的仅有美国ULA的德尔塔-4重型、美国SpaceX猎鹰重型和中国的长征五号三型火箭。欧洲的阿里安5和俄罗斯的质子M几乎无法直送地火转移轨道，还需要大量消耗航天器宝贵的燃料才有可能。

因而，能直送火星探测，就必须意味着重型火箭的成熟。而重型火箭的应用范围，显然不仅是深空探测。

虽然目前长五碰到了一定挫折，但这是必须要解决掉的问题，没有任何其他捷径可走。火星探测每26个月才一次机会（地球火星会合周期），一旦错过2020年就要等到2022年底才能发射了。我们也希望火箭尽快恢复过来。

2.复杂航天器组合体的设计与制造

火星探测总共有四种方式：

飞掠：航天器从火星附近一掠而过。显然这是早期技术不成熟时的无奈之举，现在不可能这么浪费。

轨道器：长期环绕火星工作，最典型如美国的奥德赛号，它从2001年前往火星后一直工作至今，简直是个奇迹！给人类带来了无比丰富的火星认知。

着陆器：着陆火星定点工作，比如最近大红大紫的洞察号。

巡视器：可以移动的火星车。造价25亿美元、价值40多吨黄金的好奇号人尽皆知，它也是国际顶级刊物和各类大新闻的常客。

前文说过，中国这次火星探测“补交作业”的难度极大，要同时完成轨道器+着陆器+巡视器的组合体。

这种方式目前尚无成功的先例，中国也从未做过，仅嫦娥三号和四号实现了着陆器和巡视器的组合。国际上最近的一个也是欧洲和俄罗斯合作的也将于2020出发的ExoMars第二次探测任务，同样难度极大。

我国火星2020探测组合体概念图（图源：国家航天局）

因而，同时发射三者前往火星，到火星后适时分离，轨道器入轨、着陆器携带巡视器降落、着陆器降落后释放巡视器、轨道器全程服务着陆器和巡视器，涉及到的各类支撑技术都是中国航天最高难度。

不过也不必过于担心，这其实类似于中国的鹊桥号+嫦娥四号+玉兔二号组合的超级升级版，我们有相当好的基础。

3.航天器的深空导航制导与控制

火星与地球的距离远大于月球和地球之间的距离（38万千米），最近时5000-6000万千米，最远却高达4亿千米。而实际的地火转移轨道都是一个椭圆的一半，叫做霍曼转移轨道或它的略微升级快速转移轨道，总距离往往意味着数亿千米。

例如，明年的NASA火星2020预定轨迹为5亿千米，2013年的印度曼加里安号轨迹为7.8亿千米！

洞察号的轨迹（图源：NASA）

霍曼转移轨道是最简单的星际转移轨道，有两个核心时间：脱离地球进入地火转移轨道，抵达火星后脱离地火转移轨道，理论上讲两次都应该是加速完成。但由于抵达火星后的火星引力加速，为进入环绕火星轨道总体上还需要减速制动，操作起来极其复杂。

且地球和火星轨道平面存在一定夹角，同时星际旅行期间还要面对着各种星球的引力摄动和太阳风等影响，需要精确知道航天器位置并不断进行修正。这就要求深空探测的导航制导与控制难度大大提高。

举个例子好了，新视野号探测冥王星过程中的几次轨道控制变量如下：

2006年1月28和30日(起飞10天后)，脱离日地引力平衡位，修正两次轨道，速度变化18m/s；

2006年3月9日，发动机工作76秒，速度变化1.16m/s；然后被木星狂加速了一把；

2007年9月25日，发动机工作937秒，速度变化2.37m/s；

2010年6月30日，发动机工作35.6秒，速度变化0.44m/s；

这些速度变量是在几十千米/秒的基础上进行的，有没有觉得在这么远的距离做出这么小的动作，难度挺大的...对中国航天是个不小的挑战。

4.深空探测通信网络的建设

由于距离原因，与火星附近探测器的沟通非常困难。与月球轨道器双向联系一次大约2秒多一点时间，但是跟火星就需要几分钟到几十分钟不等了。

信号强度的衰减也大大受距离影响，这也意味着从火星传回的信号更弱。

由于地球自转和火星自转对信号的遮挡，联系一次也不容易。

上述一切都要求建立一个超强超灵敏、全球覆盖（至少三个站均匀分布在地球各地）、全天时全天候工作的深空通信网络。

我国当年萤火一号任务时，就很大程度受制于没有完善的深空通信网必须跟俄罗斯合作。印度的曼加里安号，离开了NASA的深空通讯网支持，也是不可能的。

东北佳木斯深空通讯站是我国深空网的主力

所以现在明白为什么我国需要大幅升级佳木斯的设备，并在南美和非洲建站了么？一个深空探测任务能够上马，往往意味着背后巨大技术体系的成熟，深空站也是其中一部分。

5.航天器行星着陆技术，火星：死亡七分钟！

火星着陆技术，是现在人类探测过的各类星体里最难的一个，远远难于月球和地球着陆。

它引力小，只有地球的38%，但也足以对探测器造成极大的影响。

它空气密度低，只有地球的1%左右，这就非常尴尬：由于探测器速度非常快，这个空气密度造成的摩擦已经足以把它焚毁多次；但由于密度过低，又不足以最后依靠降落伞减速到合理程度，必须使用大型推进设备继续减速。

因而，月球降落（近乎真空）只需要靠反推发动机；地球降落（稠密大气）只需要隔热罩+降落伞组合。而火星降落全部都需要，甚至还需要气囊、空中起重机等“黑科技”技术支持。

此外，任何一个减速用的部件和装置，都要送到火星！而且任何一个操作都不可能人为控制，因为火星太远信号延迟太厉害。

火星着陆只能靠探测器全自主完成，全程大约7分钟，或400多秒。

好奇号着陆的过程缩略版（图源：NASA）

200多秒内，探测器要完成超过1000个不同动作和指令，就这么困难。

目前这个技术除了苏联火星三号曾经着陆过几秒后就失效外（不能叫做成功），苏联其余任务、俄罗斯和欧盟任务全部失败，所有的成功都被美国垄断。

6.火星轨道器长期在轨工作与信号中继能力

火星表面的着陆器和火星车是不可能直接跟地球联系的，它们的能量太弱，如果经过大气和超长距离衰减，地球基本无法识别。因而，只能依靠轨道器作信号中继，类似鹊桥号在月球背后为我们转发月球背后的嫦娥四号和玉兔二号信息。

因而，轨道器必须长期稳定工作，既要做自身的科研，又要做信号中继，难度很大。例如，单单进入环绕火星轨道一项就颇为复杂，国际上目前使用飞入高层大气通过摩擦力缓慢减速的方式调整轨道，一招不慎就会焚毁（NASA也曾经犯过这种低级错误），否则太消耗燃料。

在火星已经持续工作了18年的轨道器奥德赛号（图源：NASA）

目前一般都是先发射一个轨道器前往火星，确定工作状态后再发射后续的着陆器和巡视器。我国这次任务要求极高，因为即便是长期稳定复杂工作的轨道器本身，就不是简单的事情。

7.火星着陆器和巡视器工作能力

火星着陆器和巡视器/火星车一直都是最吸引人的所在，无论科研产出还是公众影响都极大，例如维京号、探路者号、旅居者号、勇气号、机遇号、凤凰号、好奇号、洞察号，都是火星探测的超级明星。

但火星表面的情况也非常恶劣：温差极大、路况和地质情况复杂、辐射强、存在风沙且经常阻断太阳光。单单风沙一项，就在去年让机遇号火星车彻底失联。凤凰号更惨，直接被埋葬在了火星北极附近的暴风雪中，那种暴风雪是由固态二氧化碳构成的！

因而，这方面要求也是极高，几十年来一直是美国垄断。

角度三：对中国科研学术界意味着什么？

科研产出能力一直是我国航天任务的一个重大短板：能够完成基本任务，但科研产出极其有限。

现在这个时代，比起一分钱掰成两半花、多快好省完成任务，最重要的事情是：物超所值，花了100块的钱哪怕办成101块的事，那就不算贵。很多美国任务都是典型，看似很贵，但往往超期服役并获得大量产出，奥德赛在火星工作了18年，机遇号也工作了15年！

可惜我国很多任务都是花了不少钱，科研产出极其有限，这其中最重要的原因就在于科研学术界并没有长期一以贯之的项目支持。例如，依靠自然科学基金体系会造成科研单位不断吃“零食”“副食”且多变的情况，今天研究这个卫星写写项目论文，明天又换做那个。没有固定的项目长期投入，没有固定批次的人才培养，也没有哪个研究单位是靠一个项目成名，这跟美国大学的生态截然不同。

航天方面，美国有很多大学院系，就是通过长期跟踪一个项目，实现了海量产出，大获成功。然后地位逐渐升级，被纳入NASA乃至国家实验室级别，进而负责更多类似项目，最后成长为雇佣数千人的超级巨无霸，科技实力极强。

例如，加州理工学院喷气推进实验室，本是钱老参与创建的航空方向小型实验室，甚至名字里也看不到航天/深空探测的身影（Jet Propulsion Laboratory）。但自从深度参与美国首颗卫星Explorer 1并利用它做出了大量关于范艾伦辐射带的研究后声名鹊起，进而成为超级航母，被NASA收编为科学领域最大的机构。JPL是全世界唯一拜访过太阳系任何一种星体的机构，火星探测方面全面垄断，总体航天（科研科学方面）实力不亚于美国之外的任何一个国家。

约翰霍普金斯大学应用物理中心也是类似的逻辑，美国早期的通信/导航卫星从这里起家，这两年的大作也有信使号（水星）、新视野号（冥王星）、帕克（太阳）。

科罗拉多大学波德分校航天学院是个航天仪器设备、尤其是大气相关研究的巨无霸，院系甚至升级成美国国家级大气/气候研究中心。号称美国任何一颗卫星都有他们制造的零部件，学校还出了20名NASA宇航员。。。

麻省理工大学也是个大佬，从阿波罗登月年代一直到现在探月和探测系外行星，例如刚发的行星猎手TESS。

德克萨斯大学奥斯丁分校空间中心，对地遥感/科学卫星领域的巨无霸。

对于中国而言，嫦娥和火星探测是非常纯粹的科研型项目，有着长期稳定的科研方面资金支持，而不是此前的任务型项目只要实现目标就好。长期资金能有力支持科研人员集中一个方向不断攻克难题，不必三心二意，对于培养团队、实验室甚至未来的航天巨擘而言，都是极好的机会。

或许中国未来的加州理工喷气推进实验室、约翰霍普金斯应用物理中心、德克萨斯大学奥斯丁空间中心等，就将在火星探测和嫦娥探月的过程中孕育出来。