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”火星探測器，搭乘俄羅斯研制的“質(zhì)子”號火箭發(fā)射升空，標志著“火星太空生物”合作項目的啟動，火星探測再次成為世人矚目的焦點。近日，嫦娥一號衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮兼總設計師葉培建透露，目前我國已基本具備火星探測能力，有可能在2020年發(fā)射火星探測器。記者了解到，作為國家首個深空探測的973計劃研究由國內(nèi)10家科研單位共同承擔，青島科技大學作為我省唯一一家單位位列其中。青島科技大學研究的課題，就是確保未來的星際探測器能夠精確、安全地著陸。

我國或于2021年登陸火星

“我國通過探月工程的實施，積累了深空探測的能力和人才隊伍，目前已基本具備火星探測能力。”近日，航天專家葉培建接受記者采訪時曾表示，我國有可能在2020年發(fā)射火星探測器，次年到達火星。“在中國之前，美、蘇、歐、印都有成功的火星項目。盡管我們不是第一個實現(xiàn)火星探測的亞洲國家，但我們的起點和水平很高。與印度的‘曼加里安’號探測器只是繞火星赤道軌道飛行、只能看到火星‘腰帶’不同，中國第一個火星探測器將繞火星飛行，并對火星進行全球探測。此后，進入器載著巡視器著陸火星，巡視器將在火星‘走起來’。”葉培建表示，對火星和小行星的探測，對探索宇宙奧秘，認識宇宙大爆炸，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40萬公里，到火星最遠約4億公里。目前，我們已經(jīng)突破了4億公里通信問題。最大的難點是著陸火星?；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，“距離發(fā)射僅剩五年，時間很緊，但是我們很有信心，我們的團隊是2013年實現(xiàn)中國探月工程完美落月的嫦娥三號團隊。目前，包括通訊、著陸以及針對火星極端環(huán)境的各項技術都在進行準備。”

 深空探測青科大占一份

在青島科技大學老校一棟不起眼的小樓里，有一個自主導航與智能控制研究所，研究所承擔的工作就是確保探測器在著陸過程中自主導航的一部分。自主導航與智能控制研究所所長于鐳，是“973計劃深空探測研究”青科大的負責人。

據(jù)于鐳教授介紹，國家973計劃項目“行星表面精確著陸導航與制導控制問題研究”由北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、清華大學等10家單位共同承擔，其中青島科技大學是我省唯一一所參與深空探測的單位。該項目是針對我國在 “載人航天與探月工程”科技重大專項實施后所面臨的行星著陸探測技術需求，面向國家深空探測發(fā)展規(guī)劃的火星和小行星探測科技重大工程，推動解決深空探測領域自主導航與制導控制中關鍵基礎問題的項目，也是我國深空探測領域首個973計劃研究項目。

“黑色七分鐘”考驗火星著陸

“與探月工程相比，探測器飛往火星面臨更多的問題，其中能量和著陸是科學家面臨的兩大重要問題。”于鐳教授告訴記者，飛行器長期工作，距離太陽越遠，太陽光越弱，飛到火星的話太陽能電池的效率會很低，而靠其他星球引力提供能量又會耗費更多的時間。探測器抵達火星后，著陸實時自主導航與控制又是一個難題。火星探測器從130多公里的高空進入火星大氣，時速高達21000公里（每秒5.9公里），要在短短七分鐘的時間內(nèi)，讓探測器的速度降至零，從而實現(xiàn)安全著陸。這也是所有火星探測任務中技術難度最大、失敗概率最高的關鍵時刻，被專家們稱為“黑色七分鐘”。在近地對接時探測器通?？梢詫崿F(xiàn)實時監(jiān)控操作，但是到火星那么遙遠的地方，光傳播過去至少需要8分鐘，這意味著探測器從火星發(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分鐘傳輸給探測器接收，往來就需要至少16分鐘，已遠遠超出探測器著陸所需的 “黑色七分鐘”。這么長的時間，探測器可能已經(jīng)失去控制，撞毀到火星表面上了。因此探測器必須具有自主導航、控制和障礙規(guī)避的能力，飛行器才不會撞到火星表面。

 著陸必須一次成功

“為了使探測器安全著陸，探測器在接觸火星表面時需要將速度接近為零。但在深空中探測器飛行速度很快，如果著落不當就會和星球表面撞上?；鹦潜砻姝h(huán)境到底是什么樣，沒有人去過?；鹦翘綔y器出發(fā)前，科學家通過研究天文觀測和之前火星觀測傳回的照片，分析確定了大致的一片降落區(qū)域。但由于火星表面的復雜性和不確定性，探測器安全降落需要通過自主導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星球表面環(huán)境特征的提取、跟蹤和導航算法的設計，而火星表面氣候變化多端，星表形態(tài)多種多樣等，對探測器如何精確著陸是極大的考驗。一次探測需要耗費很多的人力財力，著陸過程的一個小石子也不容忽視，都可能影響到整個任務的成敗。這不同于路面設備的測試，深空探測事先無法進行實地測試，只能盡可能地模擬著陸過程，而且必須一次成功。

“通俗地講我們研究的是探測器的軟件。”于鐳教授介紹說，探測器上面有處理器，里面運行著多種程序。當著陸器的防熱罩拋掉后，處理器開始運行著陸程序，在下降著陸段探測器利用光學相機對火星表面進行拍照以獲取火星表面的瞬時圖像，并通過程序運算識別火星地面特征。探測器根據(jù)這些特征作為導航陸標，對自己的位置、速度、姿態(tài)進行估計，從而避開大的石頭、隕石坑，選擇平坦的地面降落。隨著探測器高度下降，光學相機拍到的影像清晰度增加，探測器進而能夠識別更小的石塊，從而進行標記和規(guī)避，最終尋找到最完美的降落地。就像駕駛員開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。這些看起來比較簡單的工作，讓探測器自己完成實際上非常復雜，必須讓探測器有足夠的智能性，成為一個具有自主識別、自主導航、自主控制能力的智能機器人，才能保證探測器的精確著陸。

 為什么要探測火星

人類自1960年以來已發(fā)射了四十余個火星探測器，實現(xiàn)了飛越火星、環(huán)繞火星探測、著陸器與火星車探測等多種探測方式，科學家為何如此熱衷于火星探測？

據(jù)悉，作為太陽系中表面環(huán)境與地球最相似的天體，火星探測一直是深空探測的重要目標。通過火星探測，有助于研究太陽系的形成、演化及生命的起源；有利于揭示其它天體對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，火星表面精確著陸與采樣返回技術也為未來的載人火星探測提供經(jīng)驗基礎及技術驗證，實現(xiàn)火星的載人飛行探測被認為是21世紀上半葉行星際探測的終極目標?？茖W家認為，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家一個巨大的夢想。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，開辟新的生存空間。

中國月球探測工程首席科學家、中國科學院院士歐陽自遠表示，目前科學家們已多次召開“改造火星”的研討會，嚴肅探討了將火星改造成“藍色行星”的可能性，提出了改造愿景、科學步驟和實施方案。大多數(shù)研究行星科學和深空探測的科學家堅信，通過人類的智慧和努力，火星完全能被改造成生機盎然的“小地球”，再現(xiàn)“青山綠水”，成為人類的“第二家園”?？梢哉f，火星是地外行星中“最耀眼的明星”，無論從探測次數(shù)還是認知程度來說，都是人類當之無愧的“寵兒”。

  火星探測大事記

■1962年蘇聯(lián)火星1號探測火星，在飛離地球1億公里時與地面失去聯(lián)系，從此下落不明，它被看作是人類火星探測的開端。

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

■1971年美國發(fā)射“水手9號”，是有史以來第一枚成功進入環(huán)繞火星軌道的探測器，首次拍攝到火星全貌。

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

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

■1997年 美國首次將火星車“索杰納號”送上火星。

■2001年美國發(fā)射“奧德賽號”，發(fā)現(xiàn)火星上存在大量水冰，驗證了科學家之前“火星上有水”的猜想。

■2003年 歐洲發(fā)射火星探測器“火星快車”，成果頗豐。

■2003年 美國發(fā)射“機遇號”，是目前在火星表面存留時間最長的探測器。

■2008年 美國“鳳凰號”探測器成功登陸火星，后失去聯(lián)系。

■2012年 美國宇航局首輛核動力火星車“好奇號”在火星成功著陸。

■2013年印度發(fā)射首顆火星探測器“曼加里安號”火星探測器，次年“曼加里安號”火星車成功進入火星軌道，印度成為全球第四個成功進行火星探測的國家。

■2016年歐洲航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天署聯(lián)合研制的“ExoMars2016”火星探測器發(fā)射升空，預計于今年10月抵達火星。