火星探测任务面临的深空空间环境丨Calling太空
编者按："浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
我国首个火星行星探测器升空在即，火星，是太阳系里与地球最为类似的行星，在科幻小说里曾出现“移民火星”的展望，有趣的“火星考古学“认为数亿年前的火星是跟地球一样的蓝色海洋星球。而科学研究也表明，火星的确曾经有过适宜生命生存的环境——具有很厚的大气层和大量的液态水存在地表，但经过数亿年太阳风的剥蚀后，如今的火星只剩下由CO2组成的稀薄大气了。
图1 地球与火星（图片来源：NASA）
载入史册的火星探索
自上世纪六十年代起，人类就开启了探索火星的勇敢历程，迈出探索脚步的国家包括美国、苏联/俄罗斯、欧洲、中国、日本和印度。在44次探索任务中，一步步的尝试接近火星（Flyby）、绕飞火星轨道（orbiter）、着陆火星（lander）、开展火星地面探测（rover）。但有48%的探索任务完全或者部分实现了目标（包括美国16次，苏联/俄罗斯2次，欧洲2次，印度1次）。其中，美国的四次探索任务Mariner 4、Mars3、Mariner9和Sojourner分别创造了人类第一次成功接近火星、绕飞火星轨道、着陆火星、开展火星地面探测的历史。
即将踏上征途的火星探测器
今年7-8月，有三个国家陆续开启火星之旅——美国、中国和阿联酋。其中，我国的“天问一号”火星探测器预计将成为人类历史上第一个一次性实现绕飞火星轨道（orbiter）、着陆火星（lander）、开展火星地面探测（rover）三个目标的深空探索任务。为了实现这一目标，“天问一号”的轨道分为如图2所示的五个阶段：长达7个月的地火转移轨道阶段（Earth-Mars transfer stage）、约10天左右进入火星捕获轨道阶段（Mars capture stage）、2-3个月的火星伴飞轨道阶段（Mars orbit parking stage）、约5小时的卫星和火星车分离以及着陆阶段（Deorbit and landing stage）、为期90个火星日的火星车地面探索和1个火星年的卫星监测阶段（Scientific exploration stage）。
图2 “天问一号”轨道示意图（引自1）
火星探索为什么这么难
在这里，以月球探索作为对比，至今为止，人类历史上成功将月球车送上月球的国家，也只有美国、苏联和中国，可见登月难度之高。然而，火星探索比月球探索难度更高。
那么，为什么火星探索这么困难呢？其中一个重要的原因，是深空探索面临着非常复杂的环境挑战。
在行星际空间中，深空探测器面临辐射环境、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，深空探测器又面临火星电离层、中性大气、表面辐射环境的挑战。
美国NASA的总工程师Terry Onsager说：“为了实现火星探索，探测器和人类都面临着日球层环境的严峻挑战，我们已经准备好了。”
辐射环境的威胁
首先，深空探测器的在轨安全面临着辐射环境的威胁，主要辐射源是太阳高能粒子和银河宇宙线。
月球距地球约40万公里，火星与地球的最远距离达到了4亿公里，深空探测器仅仅到达火星轨道的第一阶段就耗时七个月。在此阶段，由于脱离了地球磁场和大气层的屏蔽与保护，高能带电粒子（以及少量的中性粒子）可以不受阻碍地直接轰击到深空探测器，对深空探测器的正常运行造成相当大的危害，引起航天器单粒子效应、位移损伤等等，因此，粒子辐射防护是深空探测计划中非常重要的一环。
图3 太阳上爆发的日冕物质抛射及其伴随的太阳高能粒子（引自3）
另外，火星星表辐射环境也非常重要，火星轨道上的辐射剂量大约是国际空间站轨道的2～3倍，给未来载人火星探测的辐射防护也带来了巨大压力。
等离子体环境的挑战
其次，深空探测器的测控通信面临着深空等离子体环境的挑战，主要来源是充斥整个日球层的太阳风。
图4 行星际空间中的太阳风模拟示意图（引自4，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，该系统负责科学数据和遥感数据的传送，对深空探测器进行跟踪并指挥其执行重要任务。测控通信依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需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大，最远距离时通信一次就需要长达22分钟。
图5 地火通信示意图（引自5）
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有重大影响，不规则的等离子体团可能使得电磁波出现折射、反射等现象，引发电磁波的幅度闪烁、频谱扩展、相位闪烁等等。因此，太阳风等离子体环境，尤其是行星际日冕物质抛射等太阳爆发活动，对于深空探测计划的测控通信具有非常重要的影响。
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。
由于公转轨道的差异，火星位于太阳背面附近的20天内（如图6所示黑色区域内），电磁波会经过太阳附近的强辐射区，通信信号被太阳遮挡或干扰，探测器将处于“失联”的危险境地，如果遇到险境或需要精细的轨道操作，地球上无法发出任何有效指令到达探测器，一切都要依赖探测器的“自主智能”了。
图6 太阳、地球和火星相对位置示意图（引自6）
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、着陆等过程有重要的影响。
图7 火星表面（左）和沙尘覆盖的火星（右）（引自7）
月球并没有大气，月球探测器着陆的过程是在约12分钟内从15公里的高度减速降落到月球表面，而火星探测器环绕火星和着陆火星需要面临的环境就复杂得多，火星着陆器需要在约7分钟内从125公里的高度减速降落到火星表面，由于没有足够的数据支持模拟火星大气、沙尘等环境，未知环境因素带来了更多的技术挑战；另一方面，考虑在火星附近时，探测器定轨精度和测速误差分别约100公里和1-10m/s（数据引自1），如此大的误差加上通信的时长，着陆火星显然对探测器自主控制系统的要求极高。
祝福：
中国科学院空间环境预报中心承担了我国航天任务的空间环境保障，包括载人航天、探月工程和空间科学卫星等，现在正与用户单位密切合作，提供火星探测相关的深空环境预报和保障服务。
深空探索的人类历史是一步一步艰难推进的，每一次深空探索任务都承载着数代人的梦想和努力，克服了无数的艰难险阻，获得的珍贵数据也极大地推进了科学发展。让我们祝福经历疫情仍然冲向火星的三位勇士——我国的“天问一号”、美国的Perseverance、以及阿联酋的Hope！
美国和中国都公布了于2030年前从火星取样返回地球的计划，在更远的未来，也许我们真的能建立火星空间站、火星生态仓，最终实现“移民火星”的人类梦想呢！
参考文献：
1. Ye P J, Sun Z Z, Rao W, et al. Mission overview and key technologies of the first Mars probe of China, Sci China Tech Sci, 2017, 60: 649-557, doi: 10.1007/s11431-016-9035-5
2. Alexandra W, Smriti M, Elizabeth G. Countdown to Mars: Three daring missions take aim at the red planet, Nature, 2020, 583: 184-188, doi: 10.1038/d41586-020-01861-0
3. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/charting-a-course-for-astronaut-safety-as-nasa-launches-to-the-moon-and-to-mars
4. http://www.geologyinmotion.com/2012_01_01_archive.html
5. http://www.nirgal.net/mars_network.html
6. http://spaceacademy.net.au/spacelink/spcomcalc.htm
7. http://www.extremetech.com/extreme/237364-nasa-develops-model-to-predict-global-dust-storms-on-mars
来源：中国科学院国家空间科学中心、中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室
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