天問探火，開啟深空夢(mèng)

王煜

2020年7月23日12時(shí)41分，我國在海南島東北海岸中國文昌航天發(fā)射場，用長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭將我國首次火星探測任務(wù)“天問一號(hào)”探測器發(fā)射升空，飛行2000多秒后，成功將探測器送入預(yù)定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國自主開展行星探測的第一步。攝影/ 陳宇

“日月安屬？列星安陳？”對(duì)于兩千多年前詩人發(fā)出的“天問”，中國人終于開始自主探求答案。首次自主探測火星的旅程只是一個(gè)開始，它代表的不僅是中國人更是全人類對(duì)宇宙奧秘的追尋。“問天之行”“探‘火之旅”，一定會(huì)有更多激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)。

跨越式前進(jìn)，領(lǐng)航人類探“火”

2020年7月23日中午，“天問一號(hào)”火星探測器搭乘長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭順利升空，奔向火星。計(jì)劃“繞、落、巡”一次完成，是中國此次火星探測備受矚目的亮點(diǎn)，這是人類歷史上的創(chuàng)舉。

“航天中的深空探測一般有五種方式：飛掠、環(huán)繞、著陸、巡視、取樣返回。因?yàn)橐h(huán)繞肯定要達(dá)成飛掠這一步，所以實(shí)際上這次‘天問一號(hào)是要一次完成四種對(duì)火星的探測方式。”資深航天專家、上海航天技術(shù)研究院研究員陶建中在接受《新民周刊》記者采訪時(shí)表示。

如果計(jì)算一下發(fā)射時(shí)地球與火星的距離和“天問一號(hào)”的速度，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)所需時(shí)間并不用7個(gè)月那么長。然而火星并不是一個(gè)靜止的目標(biāo)，它自身在圍繞太陽公轉(zhuǎn);同時(shí)，火星探測器選擇的也不是距離最短的路徑，而是最節(jié)省燃料的路徑?！疤罩械娘w行是軌道飛行，速度決定了軌道?！碧战ㄖ姓f，“天問一號(hào)”在進(jìn)入“地-火轉(zhuǎn)移軌道”后實(shí)際上成為一顆環(huán)繞太陽的飛行器，它的軌道將在7個(gè)月后與火星的公轉(zhuǎn)軌道重合。

這個(gè)時(shí)候最關(guān)鍵的就是“剎車”的時(shí)機(jī)，因?yàn)椤疤靻栆惶?hào)”要讓自己被火星的引力捕獲，成為它的一顆人造衛(wèi)星。“剎車”如果晚了，進(jìn)入不了火星的引力范圍，探測器就會(huì)與火星“失之交臂”;相反，如果“剎車”早了，受到的火星引力太大，探測器有可能撞向火星，任務(wù)也會(huì)失敗。這一步驟對(duì)精準(zhǔn)度的要求，被形容為“從巴黎把一顆高爾夫球打入東京的球洞”。

這步精準(zhǔn)完成后，更難的是在火星的著陸。自人類1960年發(fā)射第一個(gè)火星探測器開始，共有17次計(jì)劃在火星著陸的任務(wù)，目前只有8次成功，都是美國完成的。如此高的失敗概率讓這顆紅色星球有“探測器墳場”之稱。

任務(wù)難度大，很重要的原因在于火星距離地球遙遠(yuǎn)。此次“天問一號(hào)”距離地球最遠(yuǎn)時(shí)，單向通信延時(shí)達(dá)到22分鐘。同時(shí)，漫長的傳輸過程中，信號(hào)的衰減也很大。

此外，當(dāng)探測器、太陽和地球位置處于同一直線時(shí)，太陽輻射會(huì)干擾地火之間的信號(hào)傳輸，導(dǎo)致通信中斷，這就是“日凌”現(xiàn)象。在這次火星探測任務(wù)中，最長“日凌”達(dá)到30天?；鹦潜砻嫔嫌袕?qiáng)力的風(fēng)暴，有的風(fēng)暴時(shí)速達(dá)到每秒180米，持續(xù)時(shí)長達(dá)幾個(gè)月。

這些條件意味著探測器在很多情況下只能自主決定如何行動(dòng)，而不能靠地球上的人工遙控。從環(huán)繞火星的軌道降落到火星表面尤其如此，整個(gè)過程只有短短的7分鐘。

“‘天問一號(hào)安裝的變推力反推發(fā)動(dòng)機(jī)，使它可以在距離火星表面100米的高度懸停并尋找、移動(dòng)到合適著陸地點(diǎn)，掌握該技術(shù)的目前只有中美兩國?！碧战ㄖ姓f。

其他國家的火星探測一般都是先環(huán)繞再做著陸巡視，而中國的首次火星探測就有把握一次完成這三項(xiàng)任務(wù)，這表明我國在這個(gè)領(lǐng)域雖然起步晚，但已經(jīng)后來居上，達(dá)到世界先進(jìn)水平?！疤靻栆惶?hào)”能有如此耀眼的表現(xiàn)，很大程度上歸功于之前“嫦娥”探月工程的技術(shù)積累。2019年1月，中國的“嫦娥四號(hào)”探測器實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次在月球背面軟著陸和巡視勘察，它采用的自主減速、懸停等技術(shù)，為“天問一號(hào)”打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前為止，人類的火星探測器踏上的都是“單程旅途”，最終的“取樣返回”還沒有成功先例。陶建中說，探測器可以用自身搭載的儀器在火星當(dāng)?shù)赝瓿梢徊糠謾z測分析，并把數(shù)據(jù)傳回;但是更多的分析，例如同位素檢測，目前還必須將材料帶回地球才能開展，這是取樣返回的意義所在。

7月23日，在中國文昌航天發(fā)射場測控大廳，航天科技人員慶祝發(fā)射成功。

7月24日，在海南文昌啟動(dòng)中國首輛火星車征名活動(dòng)。

探測器要從火星返回地球，難度比只是單程前往要增加很多。陶建中表示，這首先需要更多的燃料。顯而易見，從火星出發(fā)時(shí)的探測器不再有“胖五”這樣的大推力火箭的助攻，要靠自身動(dòng)力進(jìn)入軌道。如此一來，它從地球出發(fā)時(shí)就需要帶上更多的燃料，需要更大推力的火箭。同時(shí)，探測器從火星啟航時(shí)，不像從地球出發(fā)時(shí)有這么多導(dǎo)航系統(tǒng)為它服務(wù)，它要以星際空間中的物體為參照物來自行導(dǎo)航、自主返回。

另外，探測器返回經(jīng)過地球大氣層時(shí)，速度更快，摩擦產(chǎn)生的溫度更高。陶建中介紹：我國的“神舟飛船”返回穿越大氣層時(shí)表面溫度為1500攝氏度;如果是月球探測器，這個(gè)溫度將達(dá)到3000攝氏度;而從火星返回，溫度可能更高。這就對(duì)探測器外部材料抵抗高溫的性能提出了更高要求。

我國探測火星的下一步計(jì)劃是挑戰(zhàn)采樣返回?！版隙稹睂⒃俅螢椤疤靻枴遍_展先行嘗試：2020年，“嫦娥五號(hào)”計(jì)劃發(fā)射升空，實(shí)現(xiàn)對(duì)月球的采樣返回探測。對(duì)火星的取樣返回預(yù)計(jì)在2030年前后實(shí)現(xiàn)，這意味著中國已進(jìn)入火星探測的第一梯隊(duì)。

“移民火星”能實(shí)現(xiàn)嗎？

“對(duì)于火星，我們還知之甚少。”陶建中告訴《新民周刊》記者，人類對(duì)于地外星球要經(jīng)歷“探測、開發(fā)、利用”三個(gè)階段，而對(duì)火星尚處于探測的初期階段?！拔覀冎挥邢劝鸦鹦翘綔y清楚，知道上面究竟有些什么，才說得上對(duì)它進(jìn)行開發(fā)和利用?！?/p>

要做到這一點(diǎn)，最終還是需要把人送上火星。對(duì)于中國而言，先把航天員送上月球，在這個(gè)過程中進(jìn)行探索和驗(yàn)證，這是更為現(xiàn)實(shí)也更為合理的路徑。

陶建中介紹說，“嫦娥”系列的六號(hào)、七號(hào)、八號(hào)飛行器的終極使命是為到月球建立基地做準(zhǔn)備。他說，月球南極有一塊區(qū)域常年有陽光照射，這為收集太陽能提供了條件;就在離它不遠(yuǎn)的永久陰面有水冰，水冰不僅可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫S系生命所需的液態(tài)水，還可以分解為氫和氧成為動(dòng)力來源。這里是建立月球基地的理想地點(diǎn)。

如果要把建設(shè)基地的材料全部從地球運(yùn)到月球，耗費(fèi)的資源就太大了，最好的辦法是就地取材。陶建中說，月壤的主要成分是火山巖，將來我們可以用3D打印技術(shù)，采集當(dāng)?shù)仉S處可見的月壤作為建筑原材料，把基地建起來。為了讓這樣的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)，中國的航天工作者已經(jīng)用地球上與月壤成分相近的材料開展研究。當(dāng)然，建設(shè)月球基地的工程量是巨大的，國際合作有望加速這一進(jìn)程。

航天工作者建設(shè)的模擬火星基地。

即使基地成功建立，但人類想要大規(guī)模移民月球還并不實(shí)際，因?yàn)樵虑虻淖匀画h(huán)境與人類宜居條件還差得太遠(yuǎn)，如果要做大范圍的人工改造，付出的代價(jià)可能太大。

從現(xiàn)實(shí)的角度來說，人類登月一方面是為了給航天科研尋找具有獨(dú)特優(yōu)勢的地點(diǎn)，例如月球背面沒有來自地球的電磁波干擾，是監(jiān)測來自宇宙深處的微弱信號(hào)的理想場所;另一方面，則是計(jì)劃開發(fā)月球上的能源。已知月球上的氦3儲(chǔ)量至少有100萬噸，這是地球儲(chǔ)量的200萬倍;而氦3是一種在聚變時(shí)不會(huì)產(chǎn)生中子輻射的清潔核能源，100噸的氦3釋放的能源足以滿足當(dāng)前全球一年的消耗。當(dāng)人類成熟應(yīng)用可控核聚變技術(shù)后，月球上的氦3將發(fā)揮巨大的價(jià)值。

火星的自然條件要比月球更接近地球，例如一個(gè)火星日的時(shí)間與一個(gè)地球日相差無幾，火星上也有像地球一樣分明的四季，等等。但是要成為數(shù)量可觀的人類的聚居地，改造火星環(huán)境的難度和要花費(fèi)的資源并不會(huì)比在月球小。

不過，這并不妨礙人們對(duì)移民火星暢想的熱情。今年的火星探測發(fā)射窗口無疑是征集這些創(chuàng)意的一次極佳的契機(jī)，例如，以中國航天為背景，始于2019年11月的“未來火星生活設(shè)計(jì)大賽”就收到了來自全球20個(gè)國家及地區(qū)的3000余件作品，許多人展開了對(duì)“移民火星”的想象藍(lán)圖。

火星上是否有像月壤一般的適用于3D打印的建筑材料，目前還處于研究中，不過已經(jīng)有人在設(shè)想將足夠輕的建筑材料運(yùn)送至火星。是否有一種輕量并且在抵達(dá)火星后馬上可以大面積生長的東西呢？在“火星生命之種”的設(shè)想里，竹子被選中了，理由在于它是一種適合在惡劣條件下進(jìn)行培育的理想植物，能承受極端的溫度波動(dòng)，并且不需要授粉便能繁殖。設(shè)想認(rèn)為，火星的大氣層由95%的二氧化碳組成，在改造后適合植物的快速生長。同時(shí)，竹子還可以作為食物來源。按照這樣的設(shè)計(jì)，火星上將豎立起一座座竹制的橢球體高樓。

“火星城” 應(yīng)該是什么形狀的？有的設(shè)想中，該城市按六邊形布局，中心作為城市的主要功能區(qū)，服務(wù)于日常運(yùn)作;而工業(yè)建筑、醫(yī)療建筑、農(nóng)田和倉庫都位于城市的外緣。城市中心到其他任何區(qū)域的距離都是最短的，由地下道路網(wǎng)絡(luò)連接。為了防止輻射，建筑物將被置于地下。城市采用火星風(fēng)化層3D打印建造，光照將通過人工日光系統(tǒng)來提供。在另一個(gè)設(shè)想中，火星城市則是一個(gè)棲息“圈”。“圈”不僅意味著圓形的空間布局，還意味著人們的生活圈和交往圈，以及火星上和諧可持續(xù)的生物圈。

為了提高人類在火星生活的安全系數(shù)，“坑中世界”的構(gòu)想從多方面分析了火星的環(huán)境災(zāi)害條件，把城市建在火星的巨大隕石坑中，利用鋼架結(jié)構(gòu)拼接的方式搭建巨大的玻璃溫室，讓溫室內(nèi)的環(huán)境滿足人類生存條件。

在一個(gè)8歲的中國孩子眼中，從地球到火星的太空旅行是發(fā)生在膠囊建筑里的。這些膠囊在太空軌道漂流，最終在火星著陸展開成為基地建筑，孩子們?cè)谀抢镩_啟了探險(xiǎn)之旅。

實(shí)際上，對(duì)青少年的火星科普不只在設(shè)計(jì)圖紙上，也落到了地球上的現(xiàn)實(shí)環(huán)境里。戈壁地貌、險(xiǎn)峻山脈、紅色巖體，甘肅省金昌市金川區(qū)的戈壁灘地形地貌及自然條件與火星有天然的相似性，這里已在2018年建立起“火星1號(hào)基地”。

這是中國青少年航天科普項(xiàng)目“太空C計(jì)劃”的一個(gè)火星模擬生存基地，包括氣閘艙、總控艙、生物艙等9個(gè)艙體以及艙外場地。所有艙體都在最大程度上模擬人類在火星上生活的場景。例如，在生物艙，人們可以體驗(yàn)到航天員登上火星之后，人工創(chuàng)造水、熱、光、氣等條件，培育植物和蛋白質(zhì)蟲的過程。

人類首次登上火星的日子，大概在30年后。

再回到現(xiàn)實(shí)，依照目前的航天發(fā)展水平，許多專家共同的認(rèn)識(shí)是：人類首次登上火星的日子，大概在30年后。

向更遠(yuǎn)的深空探索

除了實(shí)現(xiàn)“移民火星”的目標(biāo)，研究火星也能幫助人們對(duì)地球生命的進(jìn)化、大氣和磁場演變等有更好的認(rèn)識(shí)?！盎鹦堑默F(xiàn)在很可能就是地球的未來。”陶建中表示，火星可能在之前經(jīng)歷了與地球類似的環(huán)境變化，更多了解火星的現(xiàn)在和過去，可以幫助我們更好地解析地球的未來走向。

當(dāng)然，對(duì)深空的探測，同樣是為了解決千百年來人類思考的一個(gè)問題：地外生命是否存在？

1995年，日內(nèi)瓦大學(xué)的米歇爾·馬約爾與迪迪?！た_茲發(fā)現(xiàn)了第一顆圍繞類日恒星運(yùn)行的系外行星，距離地球只有50光年。這一發(fā)現(xiàn)讓兩人獲得了2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。兩位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)開啟了天文學(xué)的一場革命，自那之后，人們?cè)阢y河系內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了4000多顆系外行星。

在“天問一號(hào)”發(fā)射升空之后的在線論壇上，迪迪?！た_茲介紹說：最新研究表明，地球上的生命可能不是源自海洋底部，而是地球表面。因此“天問一號(hào)”對(duì)火星表面的探測，有可能讓科學(xué)家獲得生命起源的化學(xué)證據(jù)。

米歇爾·馬約爾表示：中國等多個(gè)國家正在開展的深空探測項(xiàng)目有可能發(fā)現(xiàn)“地外生命”，證明生命是宇宙演化的必然產(chǎn)物。在太陽系中，火星是最接近地球的行星，擁有巖石表面和大氣層，所以西方人曾認(rèn)為存在“火星人”。根據(jù)已知的深空探測結(jié)果，“火星人”這種高等生命是不存在的，但這并不排除火星上有低等生命或生命曾經(jīng)存在的證據(jù)。因此，“天問一號(hào)”對(duì)火星大氣、地表和地下的探測結(jié)果，十分令人期待。

火星因?yàn)榕c地球環(huán)境較為相似，因而成為人們尋找地外生命的焦點(diǎn)。那么，在人類看來環(huán)境惡劣的星球就一定沒有生命存在嗎？迪迪?！た_茲并不這么認(rèn)為。以同樣是地球近鄰的金星為例，在他看來，那里雖然表面溫度超過450攝氏度，大氣中充滿硫酸液滴，但并不意味著肯定沒有生命。此外，金星是否有水也是個(gè)至今沒有定論的問題。因此，他認(rèn)為深空探測不應(yīng)忽視這顆星球，“向金星發(fā)射探測器的難度比火星小，各國的航天部門今后可以開展金星探測”。

在火星之外，人類尋找“地外生命”的熱門目標(biāo)還有木衛(wèi)二、土衛(wèi)六這兩顆衛(wèi)星。1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主謝爾頓·李·格拉肖說：作為木星的第四大衛(wèi)星，木衛(wèi)二擁有稀薄的大氣層，表面覆蓋著厚厚的水冰，地下深藏著大量液態(tài)水，有些地下水還會(huì)溢出到表面。如此廣袤的水冰海洋是否孕育出了生命？這是一個(gè)非常值得探究的科學(xué)問題。土衛(wèi)六也很有研究價(jià)值，它是土星的最大衛(wèi)星，擁有稠密的大氣，天氣變化活躍，表面還有眾多河流和湖泊，所以也有存在生命的可能。

“未來火星生活設(shè)計(jì)大賽”作品“火星生命之種”。

中國“天問”的探測目標(biāo)也遠(yuǎn)非只在火星。“天問”是中國的行星探測計(jì)劃，將包含一系列任務(wù)，預(yù)計(jì)2030年前后，“問天之旅”將包括火星采樣返回、小行星探測、木星系探測等。

其實(shí)，中國的行星探測在數(shù)年前已經(jīng)起步?！版隙鸲?hào)”完成既定的探月任務(wù)后，繼續(xù)在太空發(fā)揮余熱。2012年4月，它圓滿完成在日地拉格朗日L2點(diǎn)一個(gè)完整周期的飛行探測，成功繞飛L2點(diǎn)，進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道飛行。當(dāng)年12月13日，“嫦娥二號(hào)”與國際編號(hào)為4179的圖塔蒂斯小行星“擦肩而過”，最近交會(huì)距離不到1公里，首次實(shí)現(xiàn)了我國對(duì)小行星的飛掠探測，成為我國第一個(gè)行星際探測器。而后，“嫦娥二號(hào)”繼續(xù)飛至1億公里以外，對(duì)我國深空探測能力進(jìn)行了驗(yàn)證，成為當(dāng)前我國飛得最遠(yuǎn)的航天器。

美國1977年發(fā)射的“旅行者一號(hào)”和“旅行者二號(hào)”，目前已經(jīng)飛行了210億公里和180億公里，超出了太陽風(fēng)覆蓋的范圍，是人類飛行距離最遠(yuǎn)的航天器，但這離飛出太陽系的邊緣、半徑約1光年的奧爾特云還有很遠(yuǎn)。當(dāng)攜帶的動(dòng)力在接下來的幾年耗盡后，它們將在宇宙中漂流，誰也不知道它們能再旅行多久。

那么，人類是否有能力把航天器送到太陽系之外？

2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主喬治·斯穆特三世認(rèn)為：按照現(xiàn)有的宇宙飛船速度來說，我們將宇宙飛船送往最近的星際空間，需要12萬年。即使用最先進(jìn)的發(fā)射器、最前沿的軌道控制手段來縮短宇宙飛船的飛行時(shí)間，仍然需要2000年。所以將航天器送出太陽系的難度非常大。

他介紹：有一個(gè)進(jìn)行中的研究項(xiàng)目叫作“Star Shot（射星）”。該項(xiàng)目計(jì)劃制作1克重的宇宙飛船，發(fā)往太陽系的邊緣。為什么只有1克重？因?yàn)閮H僅是1克，也需要全人類生產(chǎn)的全年能源，才能完成這個(gè)計(jì)劃。“實(shí)際上，我們真正消耗的能量更多，甚至需要全人類上百年的能源，才能將其送到太陽系的邊緣?！?/p>

目前，研究人員制定的方案是：制作1000個(gè)3克重的宇宙飛船，發(fā)往距離太陽系最近的59個(gè)恒星系統(tǒng)。為什么1000個(gè)宇宙飛船只有59個(gè)目標(biāo)？因?yàn)樵诟咚亠w行過程中，很多宇宙飛船可能損毀?！拔覀兿喈?dāng)于把油漆點(diǎn)大小的宇宙顆粒發(fā)往宇宙，途中遇到任何一顆塵粒都可能非常危險(xiǎn)。我覺得這是一個(gè)很艱難的項(xiàng)目，進(jìn)展不會(huì)很迅速，讓我們拭目以待?！?/p>

在陶建中看來，就算把眼光先放回太陽系內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)比火星距離更遠(yuǎn)的充分深空探測，人類要解決的難題還很多。例如化學(xué)燃料推進(jìn)的飛行器速度太慢，當(dāng)人類掌握可控核聚變技術(shù)時(shí)，才可能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽系內(nèi)行星際空間的充分探測。再如，電磁波通信的速度受限于光速，人類必須掌握量子通信等速度更快的通信方式。另外，太空航行要解決的最大問題是人本身的問題。長期的太空航行，人類將患上肌肉萎縮、骨質(zhì)流失、大腦有氧功能下降、免疫力下降等“太空病”，這些暫時(shí)還無法徹底解決;同時(shí)，長期孤獨(dú)航行，心理面臨的巨大考驗(yàn)也是不容忽視的問題。

這一切的難題，有待人類齊心協(xié)力地攻克。如果仔細(xì)觀察“天問一號(hào)”發(fā)射前的直播畫面，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭的整流罩上繪制的徽標(biāo)除了中國國家航天局，還有歐洲空間局ESA、法國國家空間研究中心CNES、阿根廷國家航天委員會(huì)CONAE和奧地利研究促進(jìn)局FFG。中國的火星探測是一個(gè)開放性的科學(xué)探索平臺(tái)，此次火星探測任務(wù)既是中國航天工作者自力更生自主創(chuàng)新的結(jié)果，也是國際航天合作的成果。在中國將來的航天事業(yè)中，這樣的合作也將持續(xù)下去。廣袤無邊的宇宙，完全容得下各國攜手共探“深空夢(mèng)”。

人類火星探測重要時(shí)刻

1960年，蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一個(gè)火星探測器“火星1A號(hào)”。

1965年，美國“水手4號(hào)”火星探測器第一次傳回火星圖像。

1975年，美國“海盜1號(hào)”火星探測器首次成功著陸并展開工作。

1997年，美國“旅居者號(hào)”成為首個(gè)展開工作的火星車。

2004年，美國“機(jī)遇號(hào)”火星車登陸火星，工作15年，是執(zhí)行任務(wù)時(shí)間最久的火星探測器。

2020年，中國踏上探測火星的旅程。