火星探測(cè)，中國從此出發(fā)
——從認(rèn)識(shí)火星到中國首次火星探測(cè)任務(wù)立項(xiàng)

文/ 陳立 趙聰

長征五號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射天問一號(hào)火星探測(cè)器 王磊攝

人類對(duì)火星的探測(cè)任務(wù)接近半數(shù)都失敗了，幸存者們則帶著滿腹好奇，拍下了熔巖平原、沙丘之海、環(huán)形山和深邃的峽谷，甚至發(fā)現(xiàn)了古老星球水源遺留的痕跡。

微觀與宏觀，往往構(gòu)成人類認(rèn)知世界的兩個(gè)極端。如今，人類針對(duì)火星開展的探測(cè)活動(dòng)試圖將兩個(gè)極端融合起來——在宇宙中尋找生命的起源?；鹦?，這顆人類孜孜以求探索了60年的紅色星球，正一點(diǎn)點(diǎn)地被揭開神秘面紗。人類認(rèn)識(shí)宇宙，認(rèn)識(shí)生命的邊界也在不斷擴(kuò)展。

7月23日，中國邁出行星探測(cè)第一步——去火星。12 時(shí)41 分，長征五號(hào)運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場(chǎng)首次執(zhí)行應(yīng)用性發(fā)射，成功將首次火星探測(cè)任務(wù)天問一號(hào)探測(cè)器精準(zhǔn)送入地火轉(zhuǎn)移軌道。

火星探測(cè)，中國從此出發(fā)。

火星狂想曲

在西方，火星同樣進(jìn)入各式神話與想象之中，被視作“戰(zhàn)神”的象征。一直到近代，由天文望遠(yuǎn)鏡和天文愛好者一同締造的“火星運(yùn)河”概念，還一度在西方掀起人們對(duì)這顆紅色星球的熾熱狂想。

20 世紀(jì)，高倍望遠(yuǎn)鏡和光譜分析等技術(shù)手段的出現(xiàn)，奏響了新一輪的火星狂想曲。后來借助飛速發(fā)展的航天技術(shù)，人們甚至將探測(cè)器送到這枚紅色星球的上空，有的甚至與它進(jìn)行了“親密接觸”?；鹦牵@顆與地球最近也相隔5500 萬公里的地外行星，終于不再被文學(xué)想象所獨(dú)占，開始步入現(xiàn)代科學(xué)的探索范疇。

火星一直以來都是人類深空探測(cè)的熱點(diǎn)。從20 世紀(jì)60年代開始，人類共實(shí)施了45 次火星探測(cè)任務(wù)（含不久前剛發(fā)射的阿聯(lián)酋“希望號(hào)”任務(wù)）?！翱梢哉f，除月球之外，火星是最受關(guān)注的天體。”中國首次火星探測(cè)任務(wù)工程副總設(shè)計(jì)師兼地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮李春來說。

現(xiàn)代科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在太陽系的八大行星中，火星與地球最為相似：兩者自轉(zhuǎn)周期相似，一個(gè)火星日大約是24 小時(shí)39 分鐘；而且火星和地球一樣有四季更迭?；鹦堑馁|(zhì)量和體積小于地球，它的半徑約為地球的1/2、體積約為地球的1/7。火星內(nèi)部能量更快散失，更早地進(jìn)入了衰老期，為地球展示了一個(gè)完整的演化歷史。科學(xué)家認(rèn)為，這對(duì)認(rèn)識(shí)地球的過去、現(xiàn)在和未來，有著不可替代的作用。

火星

隨著火星的神秘面紗逐漸被掀開，也將人類帶入了另一重基于科學(xué)探測(cè)的想象——火星上是否有生命存在？帶著疑問，在火星上尋找生命的遺跡，成為火星探測(cè)中最激動(dòng)人心的目的之一。

地球VS 火星

老年星球的水之謎

尋找可能的生命，水無疑是一條重要的線索。水是生命賴以生存的最基本條件，是構(gòu)成生物體的主要成分。我們生活在一個(gè)表面積71%由海洋覆蓋的藍(lán)色星球，那紅色明亮的火星呢？

30 多億年以來，火星表面一直處在與現(xiàn)代火星環(huán)境相似的寒冷且干旱的狀態(tài)，表面不存在液態(tài)水，實(shí)際探測(cè)也證實(shí)了這一點(diǎn)。但是，在火星次表層是否存在地下水？地下水系統(tǒng)能維持多長時(shí)間？

不同濃度地桃花提取物表現(xiàn)出對(duì)刺莧和稗生長初期不同程度的抑制作用。地桃花在我國分布廣泛且具有較強(qiáng)的生長能力和繁殖力，對(duì)地桃花提取物除草活性化合物的進(jìn)一步研究，可為其作為一種天然的除草劑和生長抑制劑提供更科學(xué)的依據(jù)。

為了回答這些問題，人類一方面發(fā)射火星探測(cè)器，利用各種遙感技術(shù)對(duì)火星進(jìn)行全方位的探測(cè)；另一方面借助高精度和高空間分辨的現(xiàn)代分析技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)火星樣品（即火星隕石）進(jìn)行分析測(cè)試。

大量探測(cè)結(jié)果表明，約35 億年之前，火星有過一段溫暖濕潤的時(shí)期，曾有河流、湖泊和海洋。主要證據(jù)之一是河流沖刷形成的地形地貌。對(duì)火星表面化學(xué)組成和礦物組成的探查，進(jìn)一步證實(shí)液態(tài)水的存在，其中包括巖石在水的作用下發(fā)生風(fēng)化形成的粘土礦物，以及湖泊蒸發(fā)沉淀出來的鹽類礦物。美國好奇號(hào)火星車曾對(duì)著陸區(qū)的蓋爾撞擊盆地進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，證明那里以前是湖泊。

火星在最明亮的時(shí)候看上去如同一顆火球，其實(shí)它溫度極低，接近于地球的南極。呈現(xiàn)紅色的原因，是因?yàn)榛鹦堑耐寥栏缓趸F，就像土地生了銹。這是風(fēng)與水雙重侵蝕作用的結(jié)果，由此也證明火星曾經(jīng)存在過大量的水和大氣。

蓋爾撞擊坑可能存在過湖泊的假想圖

一項(xiàng)項(xiàng)科學(xué)成果的出現(xiàn)，加深了人類對(duì)火星的認(rèn)識(shí)：火星曾有足夠的內(nèi)部熱能、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、巖漿—火山作用活躍，形成了太陽系最高的火山山峰——奧林帕斯山和太陽系最長的峽谷——水手大峽谷；火星曾有比現(xiàn)在濃密得多的大氣層，表面存在過液態(tài)水，火星表面觀測(cè)到干涸的水系、湖泊和海洋盆地，有過適宜生命繁衍的環(huán)境，并可能孕育過生命；火星存在小天體撞擊形成的巨大撞擊坑和洪水沖刷的痕跡。對(duì)火星電離層的探測(cè)還發(fā)現(xiàn)，由于缺少偶極磁場(chǎng)保護(hù)，在太陽風(fēng)粒子的轟擊下，火星上的氫離子與氧離子以2 ∶1 的比例逃逸，解釋了另一部分水的丟失之謎。

如今，火星已經(jīng)是一顆老年期的行星。人類對(duì)它的探測(cè)成果，大大促進(jìn)了太陽系起源與演化、地外生命信息探尋、比較行星學(xué)等深空探測(cè)重大科學(xué)問題的研究，并激發(fā)了深入探測(cè)火星甚至載人探測(cè)的熱情。

“中國也渴望加入到探測(cè)隊(duì)伍中來。探測(cè)和研究火星，最終目的是為地球和人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)?！敝袊状位鹦翘綔y(cè)任務(wù)工程探測(cè)器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫澤洲說。

奧林帕斯山

中國深空探測(cè)的起點(diǎn)

在“嫦娥一號(hào)”任務(wù)取得圓滿成功后，中國也在謀劃深空探測(cè)后續(xù)發(fā)展，火星很快進(jìn)入視野。孫家棟、葉培建等院士提議要搶占先機(jī)，啟動(dòng)探火任務(wù)。

2010年8月，8 位院士聯(lián)名向國家建議：開展月球以遠(yuǎn)深空探測(cè)的綜合論證。國家國防科工局立即組織專家組開展發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施方案論證?；鹦翘綔y(cè)，成為中國深空探測(cè)的起點(diǎn)和重點(diǎn)。

另一方面，中國還以國際交流合作的形式，嘗試“搭車”去火星。2011年11月8日，由航天科技集團(tuán)上海航天技術(shù)研究院509 所研制的螢火一號(hào)探測(cè)器和俄羅斯的“福布斯—土壤”探測(cè)器一起搭乘俄羅斯運(yùn)載火箭起飛，“螢火”取自“熒惑”諧音。但“福布斯—土壤”探測(cè)器未能按照計(jì)劃變軌，隨后，有關(guān)方面宣布放棄獲取探測(cè)器信號(hào)的嘗試，任務(wù)以失敗告終。

“螢火一號(hào)”出現(xiàn)意外之后，中國決心自主開展火星探測(cè)任務(wù)。有專家總結(jié)，中國要想實(shí)現(xiàn)自主深空探測(cè)，除了探測(cè)器這個(gè)“主角”，還要解決運(yùn)載火箭推力不夠的問題，并織起更強(qiáng)大的深空探測(cè)網(wǎng)。

探測(cè)器系統(tǒng)副總指揮李振才回憶：“2013年3月，航天科技集團(tuán)的專家提出‘我們自己上火星’，一步實(shí)現(xiàn)環(huán)繞、著陸、巡視探測(cè)的目標(biāo)?！?/p>

水手大峽谷

2014年9月，國防科工局探月與航天工程中心召開首次火星探測(cè)任務(wù)先期啟動(dòng)會(huì)，明確了要圍繞探測(cè)器這條主線，啟動(dòng)先期研制工作。中國空間技術(shù)研究院立即成立型號(hào)研制隊(duì)伍，從2014年10月開始“自掏腰包”，先動(dòng)了起來。那時(shí)，一些重要的試驗(yàn)保障設(shè)施還不齊全。

在對(duì)實(shí)施方案經(jīng)過三輪迭代和深化后，中國首次火星探測(cè)任務(wù)（天問一號(hào)任務(wù)）于2016年1月批準(zhǔn)立項(xiàng)，把目標(biāo)定為：在國際上首次通過一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視探測(cè)，成為世界上第二個(gè)獨(dú)立掌握火星著陸巡視探測(cè)技術(shù)的國家。

當(dāng)時(shí)，我國已成功完成數(shù)次月球探測(cè)任務(wù)，為探火任務(wù)打下了基礎(chǔ)。探火任務(wù)由工程總體和探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、地面應(yīng)用五大系統(tǒng)組成。

工程目標(biāo)為：突破火星制動(dòng)捕獲、進(jìn)入/下降/著陸、長期自主管理、遠(yuǎn)距離測(cè)控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測(cè)和巡視探測(cè)，獲取火星探測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)我國在深空探測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)跨越；建立獨(dú)立自主的深空探測(cè)工程體系，包括設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、飛行任務(wù)實(shí)施、科學(xué)研究、工程管理以及人才隊(duì)伍，推動(dòng)我國深空探測(cè)活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

螢火一號(hào)探測(cè)器模型

科學(xué)目標(biāo)則是通過環(huán)繞火星探測(cè)和火星表面巡視探測(cè)，研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征；研究火星表面土壤特征與水冰分布；研究火星表面物質(zhì)組成；研究火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征；研究火星物理場(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

五大系統(tǒng)就位，“天問一號(hào)”啟程

中國深空探測(cè)“領(lǐng)路人”之一的葉培建院士，回顧自己在參與“東方紅一號(hào)”的年代，根本不敢想象有生之年還能看到中國邁向火星。他賦詩曰：“紅色星球走一回，四億征程只等閑?！?/p>

2016～2018年，探測(cè)器的初樣研制工作歷時(shí)兩年，做了800 多個(gè)專項(xiàng)試驗(yàn)。2018年9月，探測(cè)器轉(zhuǎn)入正樣研制階段；2020年3月，探測(cè)器順利通過出廠評(píng)審，4月初運(yùn)抵文昌航天發(fā)射場(chǎng)。

探測(cè)器系統(tǒng)總指揮赫榮偉表示，在不到4年的時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器完成研制驗(yàn)證、出廠，這是所有參研單位的工程師、科學(xué)家辛勤勞動(dòng)所得的，大家創(chuàng)造了中國航天同類型號(hào)的研制記錄。探測(cè)器的參研單位多達(dá)600 余家，多線并行，多地并進(jìn)；各階段總裝、測(cè)試及大型試驗(yàn)涉及大量的協(xié)調(diào)管理和資源保障工作；光軟件規(guī)模就高達(dá)155 萬行代碼……

“我們起步晚了，但3 個(gè)目標(biāo)一次任務(wù)完成，起點(diǎn)很高；我們的成果來得慢了，但從工程立項(xiàng)到產(chǎn)品出廠這么快，是你們的光榮和自豪，更要珍惜這次機(jī)會(huì)?！比~培建對(duì)火星探測(cè)器研制團(tuán)隊(duì)道出肺腑之言。

“而且，中國火星探測(cè)沒有重復(fù)其他國家的老路?！苯衲陜蓵?huì)期間，全國政協(xié)委員、中國空間技術(shù)研究院黨委書記趙小津表示，一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)三大目標(biāo)，這是其他國家火星探測(cè)任務(wù)從沒有過的，面臨的挑戰(zhàn)也是前所未有的。

去年11月14日，中國火星探測(cè)任務(wù)首次公開亮相。當(dāng)天，中國國家航天局邀請(qǐng)部分外國駐華使館及國際組織人員，赴河北懷來觀摩著陸器懸停避障試驗(yàn)。安全著陸是火星探測(cè)任務(wù)最艱巨的挑戰(zhàn)之一。因?yàn)楝F(xiàn)在的火星是一個(gè)干旱、寒冷的世界，大氣稀薄，塵暴肆虐，試驗(yàn)旨在驗(yàn)證探測(cè)器安全著陸火星的“本領(lǐng)”。

據(jù)火箭系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師李東介紹，在此次火星探測(cè)任務(wù)中，具備5 噸地火轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力的長征五號(hào)火箭，第一次達(dá)到并超過第二宇宙速度，將天問一號(hào)探測(cè)器送上通往紅色星球的“長途高速公路”。

“天問一號(hào)”發(fā)射成功， 指揮中心工作人員正在拍照留念 史嘯攝

中國首次火星探測(cè)任務(wù)標(biāo)識(shí)

在深空探測(cè)的漫長旅途上，信號(hào)十分微弱，如果接收不到信號(hào)，就無法對(duì)探測(cè)器的運(yùn)行狀態(tài)做出判斷和調(diào)整。北京航天飛行控制中心專家麻永平也表示，之前中國還沒有達(dá)到探測(cè)火星的測(cè)控要求，后續(xù)規(guī)劃中要建大口徑天線，慢慢具備火星探測(cè)、測(cè)控的能力。

為圓滿完成這次探測(cè)任務(wù)，測(cè)控系統(tǒng)基于現(xiàn)有航天測(cè)控網(wǎng)和深空探測(cè)網(wǎng)（包括北京航天飛行控制中心、佳木斯測(cè)控站、喀什測(cè)控站、阿根廷測(cè)控站等），在喀什站補(bǔ)充建設(shè)了3 副35 米口徑天線，與已有天線組成天線陣系統(tǒng)，以完成對(duì)火星探測(cè)器狀態(tài)監(jiān)視、軌道測(cè)量、飛行控制、在軌管理和應(yīng)急處置等任務(wù)。

2020年年初，地面應(yīng)用系統(tǒng)在天津武清還建成了1 副70 米口徑天線，與已有地面數(shù)據(jù)接收天線進(jìn)行組陣，接收火星傳回的科學(xué)數(shù)據(jù)。這副亞洲最大的單口徑全可動(dòng)天線，將接收最遠(yuǎn)4億公里外火星車傳回地球的微弱信號(hào)。

萬事俱備。2020年7月23日，長征五號(hào)踏焰而起，數(shù)億公里的“天問”之旅開始了。這也是中國火箭飛得最快的一次。