共赴一場“逐火”盛宴

火星，是太陽系由內(nèi)往外數(shù)的第四顆行星，也被科學家們認為是唯一可能會適合人類移民移居的星球。從天文學的角度看，在很早之前火星是處在宜居帶中的，這也就說明火星曾經(jīng)出現(xiàn)過生命。

7月23日13時25分，我國在海南島東北海岸中國文昌航天發(fā)射場，用長征五號遙四運載火箭成功發(fā)射首次火星探測任務“天問一號”探測器，成功將探測器送入預定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國行星探測第一步。除了我國，世界上還有不少國家也已啟動火星探測任務，美國、阿聯(lián)酋將計劃于近期發(fā)射火星探測器。

探“火”迎來窗口期

作為地球的鄰居，火星并不算是“近鄰”。地球赤道周長約為4萬千米，光速僅需約0.13秒便可環(huán)游。但地球與火星的距離在5600萬～4億千米之間，這意味著就連光速單程可能都需要3～22分鐘。因此，探測火星需要選擇它與地球距離較近的時機。由于地球和火星都圍著太陽公轉，怎樣才能有最近的距離呢？

全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩形象地比喻道：“這就像田徑賽跑，地球在里圈，繞太陽轉一圈約是365天，而火星在外圈，繞太陽轉一圈約是687天。地球繞太陽轉的速度快，火星繞太陽轉的速度慢。如果太陽在中間，火星和地球在兩邊的時候，它們的最遠距離能達到4億千米以上，因此最好是在地球和火星距離比較近的時候發(fā)射，這樣就能讓人類“探火”之旅的“趕路”時間更短、所攜燃料更少、成本更加低廉。

地球、火星和太陽排成一條線的時候是最近的距離，約為5600萬千米。 然而，即便是這最短的飛行距離，探測器仍要經(jīng)歷一場“長途旅行”。

中科院空間應用工程與技術中心研究員張偉介紹，以我國此次發(fā)射的火星探測器為例，需要飛行200余天才能到達火星。

探測器“趕路”期間，地球和火星始終相對運動著。因此，探測器飛行軌道設計里頭藏著大學問。

“火星探測器往往沿著地火之間的霍曼轉移軌道飛行?！?中科院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室研究員劉勇說。

霍曼轉移軌道由德國物理學家瓦爾特·霍曼提出，是一種變換航天器軌道方法的統(tǒng)稱，途中只需兩次引擎推進，相對節(jié)省燃料。

劉勇指出，火星探測器發(fā)射升空后，先在地球附近加速，進入橢圓形的霍曼轉移軌道慣性飛行，不需耗費自身所攜燃料;等到達火星附近“剎車”減速，最終被火星捕獲。這就要求探測器發(fā)射時，火星和地球的相對位置必須提前計算好，使得探測器的霍曼轉移軌道能與火星公轉軌道在某一時刻相切。兩軌道的切點就是探測器將被火星軌道捕獲的空間位置，這一特定時刻就是探測器真正投入火星“懷抱”的時刻。

結合地球、火星的公轉周期，以及軌道設計的相關內(nèi)容，科學家通過詳細周密的計算得出，在地球上每隔約26個月是發(fā)射火星探測器的最好時機，窗口期由此而來。

如果錯過今年7到8月這次窗口期，下次火星探測的好時機只能等到2022年。

對中國航天的一項全新挑戰(zhàn)

目前我國的火星探測計劃還需克服哪些困難？

中科院院士、中國航天科技集團科技委主任包為民說：“我們用長征五號火箭，也就是新一代運載火箭里面最大個的進行發(fā)射。我們的火星探測器發(fā)射升空以后，在明年2月份將到達火星的引力磁場以內(nèi)，然后經(jīng)過火星的捕獲到達火星。”

據(jù)介紹，探測火星，需要突破深空超遠距離測控通信、火星制動捕獲、在軌長期自主管理、稀薄大氣減速與安全著陸等一系列核心關鍵技術。那時，地球與火星距離約5600萬千米，與地面測控站的往返“對話”會有較長延時，而且傳遞的“聲音”將會非常微弱。因此，要實現(xiàn)如此遠距離的有效通信，需要克服巨大的信號衰減、傳輸延時和外界干擾等因素，對中國航天而言是一項全新的挑戰(zhàn)。

此外，火星探測器在到達環(huán)繞火星的軌道之后，將降落在火星表面。這個過程為七八分鐘，這也是整個任務的難點所在。我國的火星探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器兩部分組成，著陸巡視器將在火星表面軟著陸并釋放火星車，在火星表面進行巡視勘測。由于火星探測器在奔火的途中一直處于高速飛行狀態(tài)，所以在著陸之前需要先將速度降下來。我國根據(jù)探月工程中的技術經(jīng)驗作為積累，將通過4個階段逐步減速，最終使探測器平穩(wěn)到達火星表面。包為民表示：“從4.8千米/秒的速度減到火星著陸的地方進行懸停，這個過程要7到8分鐘，在這個時間段里有4個減速段，第一個是氣動減速段，就是把速度從4.8千米/秒減到460米/秒，用時290秒左右?！?/p>

這就好像先進行了一下急剎車，接下來探測器將打開降落傘，用90秒左右的時間將速度由460米/秒降到95米/秒，隨后進入動力減速段，探測器的反推發(fā)動機點火開始工作，用80秒時間將速度減小到3.6米/秒。包為民說：“剩下的100米我們還有一個懸停、避障。這時速度已經(jīng)很慢了，100米的時候進行懸停。100米已經(jīng)比較低了，可以看一下地面有沒有坑、大的石頭，如果有我們就避開它，保證落地的安全性，不會翻車?！?/p>

去火星探究生命的起源

火星路遠行艱，究竟是什么吸引著各國的科學家們，使多國耗費如此大的人力物力發(fā)射探測器？

藍箭航天火箭研發(fā)中心總經(jīng)理戴政認為，尋找火星是否存在或者曾經(jīng)存在生命的證據(jù)、解答生命起源的問題和生命是否在宇宙中，是一種廣泛存在的問題。同時，研究火星大氣和地質等科學問題，對地球的環(huán)境變遷變化也有借鑒意義。

中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院研究員陳杰則認為，火星探測是航天強國的重要標志，我國首次自主的火星探測任務成功實施可進一步縮短與美國、俄羅斯等在深空探測技術方面的差距，積累更多深空探測領域的經(jīng)驗，推動我國在行星探測、空間科學、空間技術等方面的發(fā)展，使我國躋身全球深空探測領先者行列。

陳杰介紹說，從探測目標上看，我國的“天問一號”要實現(xiàn)“繞、落、巡”三個目標，環(huán)繞火星探測、著陸火星并進行巡視探測;美國的探測器主要是“落、巡”兩個目標;阿聯(lián)酋則是“繞”一個目標，要實現(xiàn)火星環(huán)繞探測。

“將‘繞、落、巡三種任務結合在一起，在世界上屬于首創(chuàng)。工程難度確實很大，但經(jīng)過艱苦努力解決了大量工程難題后，我們有信心、有把握完成這次探測任務?！标惤苷f。

據(jù)了解，到下一個火星探測窗口即2022年，歐盟與俄羅斯合作的“地外火星”任務將發(fā)射，去搜尋過去或現(xiàn)在（可能的）火星生命的生物特征。美國會發(fā)射火星樣本返回計劃，日本將發(fā)射火星衛(wèi)星樣本返回計劃。更有意思的是，各國都已經(jīng)開始長遠計劃并布局最終將人類送上火星的任務。

“這些任務都值得期待。人類探測火星的步伐一直在持續(xù)，還將繼續(xù)持續(xù)下去?！标惤苷f。（本刊綜合）