火星，中國(guó)來了！

賀詩(shī)

2020年7月23日12時(shí)41分， 中國(guó)在文昌航天發(fā)射場(chǎng)用長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭成功發(fā)射首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”探測(cè)器

7月23日12時(shí)41分，我國(guó)在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)，使用長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭將我國(guó)第一顆火星探測(cè)器“天問一號(hào)”發(fā)射升空，隨著“天問一號(hào)”順利進(jìn)入預(yù)定軌道，中國(guó)歷史上首次火星探測(cè)器的發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。

接下來，“天問一號(hào)”將在約7個(gè)月后飛抵火星附近，并實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡（火星環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)）”三大目標(biāo)。

“天問一號(hào)”的升天，也標(biāo)志著中國(guó)邁出了行星探測(cè)的第一步。

歷史上還沒有一次實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”三大目標(biāo)的先例

火星堪稱全球最熱門的“行星旅行地”，但人類“探火”的歷史進(jìn)程并不順利。

7月20日，阿聯(lián)酋火星探測(cè)器“希望”號(hào)在日本發(fā)射升空，這次“天問一號(hào)”升天，則是人類歷史上第46次火星探測(cè)活動(dòng)。

除去最近的兩次，在總共44次火星探測(cè)任務(wù)中，成功的只有23次，而這其中完全成功的更是只有19次。

在“探火”歷史上，只有蘇聯(lián)嘗試過兩次以“繞、落、巡”為目標(biāo)的發(fā)射任務(wù)，均為1971年。結(jié)果這兩次任務(wù)都只取得部分成功，未能完成全部三項(xiàng)目標(biāo)。

火星景象。視覺中國(guó)

此前接受媒體采訪時(shí)，航天科技集團(tuán)五院火星探測(cè)器總設(shè)計(jì)師孫澤洲也指出，“世界上從來沒有哪個(gè)國(guó)家一次同時(shí)實(shí)現(xiàn)（這三個(gè)目標(biāo)）。”

中國(guó)為“天問一號(hào)”制定的探測(cè)任務(wù)，正是“繞、落、巡”，即通過一次發(fā)射，就同時(shí)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、火星著陸和巡視探測(cè)。

為完成這樣的艱巨任務(wù)，組成“天問一號(hào)”的軌道器、著陸器和火星車總重達(dá)到5噸左右，是我國(guó)迄今為止最重的探測(cè)器。在“探火”項(xiàng)目正式獲批立項(xiàng)的2016年初，我國(guó)的火箭甚至還沒有能力將如此重的探測(cè)器送入太空。直到2016年11月3日，“長(zhǎng)征五號(hào)”火箭首飛成功，中國(guó)才算有了“探火”的初步資格。

正是因?yàn)檫@個(gè)原因，中國(guó)空間技術(shù)研究院技術(shù)顧問、中國(guó)科學(xué)院院士葉培建在接受媒體采訪時(shí)曾表示，我們丟失了2013年的窗口，失去了2015年的窗口，也不可能在2018年探測(cè)火星，絕對(duì)不能夠再失去2020年的窗口。

葉培建所謂的“窗口”，指的是火星發(fā)射的最佳時(shí)間。因?yàn)榛鹦窍鄬?duì)地球距離遙遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)時(shí)超過4億公里，最近時(shí)也有5500萬公里，考慮到風(fēng)險(xiǎn)、成本等因素，探測(cè)器到火星的最佳路線為1925年提出的“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”，采用這種軌道的航天器，從低軌道轉(zhuǎn)移到高軌道過程中，途中只需兩次發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火推進(jìn)，相對(duì)而言更加節(jié)省燃料，被認(rèn)為是目前效率最高的“探火”路徑。

NASA發(fā)布火星表面“金伯利”地區(qū)景觀。該地區(qū)的地質(zhì)特征表明曾遭受流水侵蝕。視覺中國(guó)

然而該軌道每26個(gè)月才能出現(xiàn)一次，所以每隔26個(gè)月左右才能遇到一次探測(cè)火星的窗口期。

2020年的7月到8月，正是科學(xué)家經(jīng)過精密計(jì)算，得出的“探火”窗口期，這也是阿聯(lián)酋和美國(guó)的火星探測(cè)計(jì)劃均集中這個(gè)時(shí)間段的原因。

孫澤洲說，因?yàn)槭芟抻诖翱谄?，“天問一?hào)”的研制工作稱得上時(shí)間緊任務(wù)重，“在全體參研參試人員‘高質(zhì)量、高效率、高效益的工作下，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)才得以順利進(jìn)行?！?h3>接下來的7個(gè)月，“天問一號(hào)”要干什么？

目前，仍在工作的火星探測(cè)軌道器有6個(gè)、著陸巡視器兩個(gè)。其中，軌道器為：美國(guó)的“火星奧德賽”“火星勘測(cè)軌道器”“火星大氣與揮發(fā)物演變”，歐洲的“火星快車”和“微量氣體軌道器”，印度的“曼加里安”;著陸巡視器為美國(guó)的“好奇號(hào)火星車”和“洞察號(hào)著陸器”。

“天問一號(hào)”能否加入它們的行列，若要獲取肯定的答案，至少需要等待7個(gè)月左右。

在接下來的7個(gè)月里，“天問一號(hào)”要闖過哪些難關(guān)？

中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)新聞發(fā)言人、國(guó)家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤杰在接受媒體采訪時(shí)表示，探測(cè)器發(fā)射成功只是第一步，要圓滿完成此次任務(wù)，“天問一號(hào)”還要經(jīng)歷地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測(cè)等多個(gè)階段。

地火轉(zhuǎn)移和火星捕獲，是指“天問一號(hào)”發(fā)射升空后，先在地球附近加速，進(jìn)入此前所述的“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”慣性飛行，等到達(dá)火星附近時(shí)“剎車”減速，最終被火星捕獲。目前，“天問一號(hào)”已經(jīng)在切入“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”的路上。

“天問一號(hào)”一旦被火星成功捕獲，探測(cè)器就會(huì)在環(huán)火軌道上運(yùn)行，成為一顆繞火衛(wèi)星。接著，探測(cè)器就開始進(jìn)入火星停泊階段。

所謂火星停泊，并不是指停在火星軌道上不動(dòng)，而是在固定軌道上繞火飛行。這個(gè)階段要持續(xù)幾個(gè)月，“天問一號(hào)”將在此期間使用地面控制環(huán)繞器上的高分相機(jī)對(duì)首選著陸區(qū)進(jìn)行詳細(xì)勘察，并拍照成像。

一旦該階段完成，“繞、落、巡”三大任務(wù)中的“繞”即宣告完成。接下來，則是更為激動(dòng)人心的離軌著陸階段。

雖然火星大氣非常稀薄，但由于“天問一號(hào)”著陸器下降時(shí)的速度高達(dá)每小時(shí)18000公里，與大氣摩擦依然會(huì)產(chǎn)生上千攝氏度的高溫。

另外，與月球著陸不同，火星軟著陸動(dòng)力下降過程時(shí)間很短，而地面測(cè)控時(shí)延十幾分鐘，因此要求控制系統(tǒng)具有更高自主性和實(shí)時(shí)性。屆時(shí)，“天問一號(hào)”的火星車將開啟全自動(dòng)駕駛模式，自主完成減速、懸停，避開火星表面復(fù)雜地形后，緩緩降落至火星表面。

這一過程難度極大，此前一些國(guó)家的火星探測(cè)計(jì)劃，就是在這短短的幾分鐘內(nèi)“折戟”失利。

隨后，“天問一號(hào)”將完成“繞、落、巡”三大任務(wù)的最后一步——巡。劉彤杰總結(jié)說，探測(cè)工作主要包括照相（傳回火星圖像）、測(cè)物質(zhì)（探測(cè)火星表面物質(zhì)構(gòu)成）、測(cè)環(huán)境（探測(cè)火星磁場(chǎng)環(huán)境等情況）、看內(nèi)部（探測(cè)火星淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)）、看氣象（測(cè)風(fēng)、測(cè)溫、測(cè)氣壓、測(cè)聲音）等。

未來期待國(guó)際合作，建立月球科研站

火星是太陽(yáng)系里與地球最為相似且距離較近的行星，探測(cè)火星、了解火星起源和演化，有助于人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球和太陽(yáng)系的形成和演化，預(yù)測(cè)地球的未來變化趨勢(shì)。因此，火星成為目前除地球以外人類研究程度最高的行星。

中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員龐之浩指出，人的火星探測(cè)起步于20世紀(jì)60年代，由于政治、科技、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等原因所致，“探火”可分為三個(gè)發(fā)展階段。

第一個(gè)階段是1975年以前。這是 “探火”的首次熱潮，共進(jìn)行了23次發(fā)射。美國(guó)和蘇聯(lián)的競(jìng)爭(zhēng)有其政治目的，但“探火”的成果依然顯著。

第二階段是1976—1990年。在這個(gè)時(shí)期，只有蘇聯(lián)進(jìn)行了兩次火星探測(cè)器發(fā)射，且都發(fā)射失敗。形成這種局面的主要原因是兩個(gè)超級(jí)大國(guó)都轉(zhuǎn)移了戰(zhàn)略重點(diǎn)，美國(guó)大力發(fā)展航天飛機(jī)，蘇聯(lián)則大力發(fā)展空間站。

20世紀(jì)90年代至今則為第三個(gè)階段，這屬于“探火”的第二次熱潮，共進(jìn)行了19次發(fā)射。同時(shí)，這次探火熱潮主要以科學(xué)為目的，在這段時(shí)間內(nèi)，歐洲航天局、印度分別成功探測(cè)火星。而且火星探測(cè)的整體成功率大為增加。

我國(guó)火星探測(cè)也正是起步于這個(gè)階段。在“嫦娥一號(hào)”任務(wù)取得圓滿成功（2007年）之后，業(yè)內(nèi)專家即開始謀劃我國(guó)深空探測(cè)后續(xù)發(fā)展。2010年8月，8位院士聯(lián)名向國(guó)家建議，開展以遠(yuǎn)深空探測(cè)的綜合論證，國(guó)防科工局立即組織專家組開展了發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施方案論證，航天科技集團(tuán)五院的院士、專家團(tuán)隊(duì)積極參與論證工作，對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行了三輪迭代和深化，最終于2016年1月正式立項(xiàng)實(shí)施。

4年多后，文昌航天發(fā)射場(chǎng)，“天問一號(hào)”一飛沖天，中國(guó)就此站在了“探火”最前列。

那么，中國(guó)后續(xù)的深空探測(cè)任務(wù)還有哪些？

國(guó)家航天局探月與航天工程中心主任劉繼忠表示，火星探測(cè)的起步，代表了中國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域已確定了下一個(gè)方向，中國(guó)的行星探測(cè)形成了整體概念。他透露，“天問”系列探測(cè)任務(wù)還將繼續(xù)，我國(guó)計(jì)劃在2030年左右進(jìn)行第二次火星探測(cè)任務(wù)，也會(huì)繼續(xù)推動(dòng)小行星探測(cè)和木星、土星等更遠(yuǎn)星球的探測(cè)工程。

“除了行星探測(cè)，深空探測(cè)還包括月球探測(cè)和太陽(yáng)探測(cè)。今年，我國(guó)將發(fā)射嫦娥五號(hào)進(jìn)行月面采樣返回，這是我國(guó)探月工程三期的收官之戰(zhàn)，后續(xù)還將探測(cè)月球南極，已規(guī)劃嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)等任務(wù)，未來也期待與國(guó)際同行合作，建立月球科研站。同時(shí)，對(duì)太陽(yáng)的探測(cè)也會(huì)采取多種方式進(jìn)行?！眲⒗^忠說。

責(zé)編：呂江濤 lvjiangtao@ceweekly.cn

美編：黃河浪