火星探测任务面临的深空空间环境

来源：中科院之声　　我国首个火星行星探测器升空在即，火星，是太阳系里与地球尤为类似于的行星，在科幻小说里曾经常出现“移民火星”的未来发展，有意思的“火星考古学“指出数亿年前的火星是跟地球一样的蓝色海洋星球。而科学研究也指出，火星的确曾多次有过适合生命存活的环境——具备较厚的大气层和大量的液态水不存在地表，但经过数亿年太阳风的风蚀后，如今的火星只只剩由CO2构成的平流层大气了。

地球与火星（图片来源：NASA）　　载入史册的火星探寻　　自上世纪六十年代起，人类就打开了探寻火星的勇气历程，迈进探寻脚步的国家还包括美国、苏联/俄罗斯、欧洲、中国、日本和印度。在44次探寻任务中，一步步的尝试相似火星、绕行飞来火星轨道、降落火星、积极开展火星地面观测。

但有48%的探寻任务几乎或者部分构建了目标（还包括美国16次，苏联/俄罗斯2次，欧洲2次，印度1次）。其中，美国的四次探寻任务Mariner 4、Mars3、Mariner9和Sojourner分别建构了人类第一次顺利相似火星、绕行飞来火星轨道、降落火星、积极开展火星地面观测的历史。　　将要走上征途的火星探测器　　今年7-8月，有三个国家相继打开火星之旅——美国、中国和阿联酋。

其中，我国的“天问一号”火星探测器预计将沦为人类历史上第一个重复使用构建绕行飞来火星轨道（orbiter）、降落火星（lander）、积极开展火星地面观测（rover）三个目标的深空探寻任务。为了构建这一目标，“天问一号”的轨道分成如图2右图的五个阶段：长达7个月的地火移往轨道阶段（Earth-Mars transfer stage）、大约10天左右转入火星捕捉轨道阶段（Mars capture stage）、2-3个月的火星伴飞轨道阶段（Mars orbit parking stage）、大约5小时的卫星和火星车分离出来以及降落阶段（Deorbit and landing stage）、为期90个火星日的火星车地面探寻和1个火星年的卫星监测阶段（Scientific exploration stage）。

“天问一号”轨道示意图　　火星探寻为什么这么无以　　在这里，以月球探寻作为对比，至今为止，人类历史上顺利将月球车送来上月球的国家，也只有美国、苏联和中国，可见登月可玩性之低。然而，火星探寻比月球探寻可玩性更高。　　那么，为什么火星探寻这么艰难呢？其中一个最重要的原因，是深空探寻面对着非常复杂的环境挑战。

　　在行星际空间中，深空探测器面对电磁辐射环境、太阳风等离子体环境、电磁辐射环境的威胁，而在近火星空间，深空探测器又面对火星电离层、中性大气、表面电磁辐射环境的挑战。　　美国NASA的总工程师Terry Onsager说道：“为了构建火星探寻，探测器和人类都面对着日球层环境的不利挑战，我们早已准备好了。”　　电磁辐射环境的威胁　　首先，深空探测器的在轨安全性面对着电磁辐射环境的威胁，主要辐射源是太阳高能粒子和银河宇宙线。

　　月球距地球大约40万公里，火星与地球的最远距离超过了4亿公里，深空探测器意味着抵达火星轨道的第一阶段就耗时七个月。在此阶段，由于瓦解了地球磁场和大气层的屏蔽与维护，高能带电粒子（以及少量的中性粒子）可以不不受妨碍地必要炮击到深空探测器，对深空探测器的长时间运营导致相当大的危害，引发航天器单粒子效应、偏移受损等等，因此，粒子辐射防护是深空观测计划中十分最重要的一环。

太阳上愈演愈烈的日冕物质吸积及其预示的太阳高能粒子　　另外，火星星表电磁辐射环境也十分最重要，火星轨道上的电磁辐射剂量约是国际空间站轨道的2~3倍，给未来载人火星观测的辐射防护也带给了极大压力。　　等离子体环境的挑战　　其次，深空探测器的测控通信面对着深空等离子体环境的挑战，主要来源是弥漫整个日球层的太阳风。行星际空间中的太阳风仿真示意图（其中黄色和红色圆点分别是地球和火星）　　深空探测器升空后与地球之间的唯一联系就是深空测控通信系统，该系统负责管理科学数据和遥测数据的传输，对深空探测器展开追踪并指挥官其继续执行最重要任务。测控通信倚赖电磁波在探测器和地球之间的传播，地球与月球上的探测器之间通信一次仅有须要1.35秒，而当无线电信号从地球到火星探测器的传播路径距离较小，最远距离时通信一次就必须长达22分钟。

地火通信示意图　　探测器至地球连线上的太阳风等离子体对于电磁波的传输具备根本性影响，点状的等离子体团有可能使得电磁波经常出现反射、光线等现象，引起电磁波的幅度闪光、频谱拓展、振幅闪光等等。因此，太阳风等离子体环境，特别是在是行星际日冕物质吸积等太阳愈演愈烈活动，对于深空观测计划的测控通信具备十分最重要的影响。

　　太阳电磁辐射环境的影响　　再者，深空探测器的测控通信也受到太阳电磁辐射环境的影响。　　由于马克斯·沃夫轨道的差异，火星坐落于太阳背面附近的20天内（如图所示黑色区域内），电磁波不会经过太阳附近的强劲辐射区，通信信号被太阳遮盖或阻碍，探测器将正处于“失联”的危险性境地，如果遇上险境或必须细致的轨道操作者，地球上无法收到任何有效地指令抵达探测器，一切都要倚赖探测器的“自律智能”了。太阳、地球和火星比较方位示意图　　火星大气、沙尘等环境的影响　　最后，火星的大气、沙尘等环境也对火星探测器的定轨、降落等过程有最重要的影响。

火星表面（左）和沙尘覆盖面积的火星（右）　　月球并没大气，月球探测器降落的过程是在大约12分钟内从15公里的高度滑行迫降到月球表面，而火星探测器环绕着火星和降落火星必须面对的环境就简单得多，火星着陆器必须在大约7分钟内从125公里的高度滑行迫降到火星表面，由于没充足的数据反对仿真火星大气、沙尘等环境，不得而知环境因素带给了更加多的技术挑战；另一方面，考虑到在火星附近时，探测器以定轨精度和GPS误差分别大约100公里和1-10m/s（数据出处1），如此大的误差再加通信的时长，降落火星似乎对探测器自律控制系统的拒绝极高。　　祝福：　　中国科学院空间环境预报中心分担了我国航天任务的空间环境确保，还包括载人航天、搜月工程和空间科学卫星等，现在于是以与用户单位密切合作，获取火星观测涉及的深空环境预报和确保服务。

　　深空探寻的人类历史是一步一步艰苦前进的，每一次深空探寻任务都支撑着数代人的梦想和希望，解决了无数的艰难险阻，取得的贵重数据也很大地前进了科学发展。让我们祝福经历疫情依然冲出火星的三位勇士——我国的“天问一号”、美国的Perseverance、以及阿联酋的Hope！　　美国和中国都发布了于2030年前从火星采样回到地球的计划，在很远的未来，或许我们知道能创建火星空间站、火星生态仓，最后构建“移民火星”的人类梦想呢！

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