2020去火星

鄭永春，博士，中國科學(xué)院國家天文臺研究員，中國科普作家協(xié)會副理事長，青年科學(xué)家社會責(zé)任聯(lián)盟理事長，“科普中國”形象大使。

“窗口”將在新的一年里打開。

這是天體運(yùn)行的客觀規(guī)律。2020年與已經(jīng)過去的幾十億年并沒有什么不同，太陽系中的幾顆行星繼續(xù)在各自的橢圓軌道上，逆時(shí)針繞太陽行進(jìn)。10月，火星將運(yùn)行至地球與太陽連成的一條直線上，這種天文現(xiàn)象叫作“火星沖日”。而每隔26個(gè)月，地球和火星這2個(gè)星球之間的距離將達(dá)到最近，錯(cuò)過這次照面，要再等780天。

為了把握這距離更短、燃料更省的發(fā)射機(jī)會，美國國家航空航天局和歐洲空間局的火星探測器將于7月從美國卡納維拉爾角的航天發(fā)射基地出發(fā)。過去大半個(gè)世紀(jì)中，在18個(gè)火星沖日年里，全世界有48次以火星為目的地的航天任務(wù)，其中可被稱作成功的還不到一半。

2020年，在飛出地球、去往火星的航天器列隊(duì)中，將首次出現(xiàn)五星紅旗的標(biāo)識，我們將見證中國第1次真正意義上的行星探索任務(wù)。中國的第1次，也將開創(chuàng)世界火星探測歷史上的l項(xiàng)新紀(jì)錄：在1次任務(wù)中實(shí)現(xiàn)軌道器的“繞”、著陸器的“落”、火星車的“巡”3個(gè)目標(biāo)。

更遠(yuǎn)的旅途

2020年夏天，中國自主研發(fā)的火星探測器將搭乘長征5號運(yùn)載火箭，從海南文昌發(fā)射基地出發(fā)。它將沖出大氣層，進(jìn)入環(huán)繞地球的軌道。接著，再經(jīng)過多次加速，飛速直奔火星。

這段旅途實(shí)在有些漫長，要?dú)v時(shí)7個(gè)月。近15年來，即便距離地球最近時(shí)，火星與我們的距離也有5500萬千米。此后，2顆星球之間的距離將越來越遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)時(shí)達(dá)4億千米。以光速傳播的無線電信號，到月球只要1秒鐘，到火星卻需要20分鐘。

當(dāng)探測器抵達(dá)火星后，必須狠狠踩下剎車，才能進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道。之后，探測器將分解為軌道器、著陸器和火星車，聯(lián)手執(zhí)行探索任務(wù)。軌道器將環(huán)繞火星進(jìn)行遙感探測，拍攝照片，收集數(shù)據(jù);著陸器在隔熱罩的防護(hù)下，進(jìn)入火星大氣層，之后用降落傘等多種技術(shù)手段進(jìn)行減速，最終降落在火星表面.成功著陸后，火星車則會駛出，巡視這片陌生的土地。

因?yàn)橄嗑噙b遠(yuǎn)，火星表面的航天器無法直接和地球聯(lián)系，需要通過軌道器進(jìn)行中繼通信。而地球發(fā)給火星車的信息，也需要經(jīng)過軌道器轉(zhuǎn)發(fā)。相互交流中的每個(gè)問題和應(yīng)答間，有一段完全的空白，這就要求火星車走得更慢一些，同時(shí)具備更強(qiáng)的自主導(dǎo)航、環(huán)境感知、路線規(guī)劃和避障等能力。

這些航天器和調(diào)整飛行軌道的燃料都需要從地球上帶過去，裝載的東西太重，路程太遠(yuǎn)，小貨車就不夠用了，需要大卡車。長征5號就是一架直上云雷的大卡車，常被昵稱為“胖五”，全長約57米，直徑5米的“腰圍”比長征系列的其他火箭都要雄壯;120噸的液氧煤油發(fā)動機(jī)，起飛推力超過1000噸，提供了中國火箭能達(dá)到的最大運(yùn)載能力。

2016年，長征五號遙一火箭首飛，出現(xiàn)故障，推遲了2個(gè)小時(shí)才出發(fā);2017年，長征五號遙二火箭發(fā)射失利，星箭墜入太平洋。為了讓火星探測器趕在2020年的窗口前，胖五經(jīng)歷數(shù)次技術(shù)歸零，回到原點(diǎn)，尋找問題，解決問題，之后再出發(fā)。2019年12月底，長征五號遙三火箭藍(lán)色的尾焰就像一只火鳳凰，劃破了海南文昌墨藍(lán)色的夜空，精準(zhǔn)入軌，星箭分離。它準(zhǔn)備好了！

更難的征程

上世紀(jì)60年代，美蘇爭霸開啟了深空探索的競賽。第1顆人造地球衛(wèi)星斯普特尼克1號升空僅3年后，火星征程就開始了。此后10年里，蘇聯(lián)和美國12次嘗試飛越火星，僅4次成功，拍攝了圖像傳回地球;大多數(shù)時(shí)候，探測器抵達(dá)地球停泊軌道就被困住了。

上世紀(jì)七八十年代則在火箭相繼升空的點(diǎn)火聲中度過。在電視機(jī)和收音機(jī)旁，民眾聽著倒計(jì)時(shí)，揮舞著小旗幟，一邊嘆氣，另一邊便歡呼。東西方世界爭相鑿出星空之路。從火星2號到火星7號，從水手7號到海盜2號，形態(tài)各異的探測器飛向火星，有的失蹤在奔赴途中，有的燒毀在下降路上，有的撞碎在火星表面，有的則突然間信號全失。

貫穿于這個(gè)時(shí)代的還有“銀河系食尸鬼”的傳說——一個(gè)巨大貪婪的生物，橫亙在從地球飛往火星的道路上，把探測器都吃掉了。1993年，美國發(fā)射的火星觀測者號與地面失聯(lián)，8.13億美元灰飛煙滅。此后，美國國家航空航天局痛定思痛，提出了新的火星探索指導(dǎo)方針：更快，更好，更便宜。

2000年之后，火星車隆重登場。勇氣號、機(jī)遇號這對雙胞胎火星車先后登陸在子午線平原和古謝夫環(huán)形山。更大、更重、功能更強(qiáng)大的好奇號火星車則于2012年8月登陸在蓋爾環(huán)形山。它們穿越山谷，那里的巖壁投下的陰影長達(dá)數(shù)百米;它們路過平原，一連數(shù)個(gè)火星日都是一望無際的地平線。它們在亂石遍地的戈壁灘上艱難跋涉、逶迤蛇行;它們經(jīng)歷塵暴，細(xì)細(xì)的沙塵被拋向離地幾百米高的空中，視野所及皆是紅色;它們也享受過晴朗的天氣和藍(lán)色的夕陽，地球遠(yuǎn)懸頭頂，像一枚藍(lán)色彈珠。

中國火星探測工程于2016年立項(xiàng)，探月工程則開啟于2004年。玉兔和后來的玉兔二號顯然為火星車的研制奠定了基礎(chǔ)，但月球探測和火星探測的環(huán)境截然不同。月球土壤顆粒尖銳，月塵帶有靜電，火星則不存在這一問題。但火星上稀薄的大氣，讓登陸火星比登陸月球要難得多?；鹦谴髿饪赡軒韷m暴，覆蓋太陽能電池板。氣壓和風(fēng)向無法準(zhǔn)確預(yù)測，給成功登陸增加了不可預(yù)知的因素。由于火星比地球更加遠(yuǎn)離太陽，中國的火星車將有一對更大、更漂亮的“翅膀”，努力對著太陽的方向奔跑。

雖然月球任務(wù)與火星任務(wù)有各自的特點(diǎn)，但探月工程和火星探測計(jì)劃的繼承性也很明顯。繼承下來的，是人。探月工程的不少成員同時(shí)也參與了火星探測任務(wù)。年輕人曾駐扎在戈壁灘上，利用類似火星表面的環(huán)境展開實(shí)驗(yàn)。

“兩彈一星”元勛錢學(xué)森說：“系統(tǒng)工程與總體設(shè)計(jì)部思想才是我一生追求的。它的意義，可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我對中國航天的貢獻(xiàn)?！币淮魏教烊蝿?wù)的背后，是成百上千的科學(xué)家和工程師組成的航天人，以及由他們運(yùn)行的航天工程體系。它龐大而精細(xì)，既有總體又有分支，各個(gè)分支互相聯(lián)系，又互相影響。需要共同合力實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)，需要在確定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)交付產(chǎn)品。不同分支還需要進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，確保系統(tǒng)運(yùn)行順暢。一步出錯(cuò)則數(shù)步延誤，一點(diǎn)成功又帶動多點(diǎn)突破。在一次又一次面向深空的遠(yuǎn)航中，人類學(xué)會了如何成功。

更值得期待的前景

在2020年的開端，面向未來，火星不僅是夜空中那顆或明或暗、熒熒如火、讓人捉摸不定的紅色行星，更是一個(gè)孕育了無限希望的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。當(dāng)然，火星探測花費(fèi)不少，是一個(gè)需要精打細(xì)算去接近的目標(biāo)，再加上技術(shù)艱難，國際合作是必然之選。

人類曾一度寄望在火星上發(fā)現(xiàn)生命。19世紀(jì)天文學(xué)家從望遠(yuǎn)鏡里看到連串的撞擊坑，曾經(jīng)被誤認(rèn)為是火星人開挖的運(yùn)河系統(tǒng)。1976年海盜1號拍攝的l張照片上，丘陵的光影酷似1張臉。隨著我們對火星的了解越來越深入，科學(xué)家們的好奇心不減反增，他們列出了長長的待探測目標(biāo)，但能夠?qū)嵤┑娜蝿?wù)次數(shù)卻極為有限。著陸地點(diǎn)的選擇要兼顧科學(xué)性與安全性，既要較為平坦，不出意外;也要有足夠豐富的研究對象。即便以此標(biāo)準(zhǔn)，火星表面依然有太多的目標(biāo)可供選擇。它的兩極覆有冰蓋，赤道處密布著細(xì)密的河網(wǎng)遺跡，記錄著曾經(jīng)存在的水流運(yùn)動。它的山峰比珠穆朗瑪峰還要高2倍，峽谷比科羅拉多大峽谷還要深，洪水的切割范圍比地球上任何地方都大得多。

2019年11月，在位于河北省懷來縣的地外天體著陸綜合試驗(yàn)場，我國首次火星探測任務(wù)著陸器懸停避障試驗(yàn)圓滿完成。在約為地球三分之一的模擬火星重力環(huán)境里，著陸器實(shí)現(xiàn)了懸停、避障、緩速下降。

2020年，更讓人興奮。在中國，這一年被稱為“火星年”。