解讀“天問一號”：中國人為什么要探測火星？

蘇萌

2020年7月23日，“天問一號”火星探測器在我國海南文昌發(fā)射場發(fā)射升空。這是中國首次行星探測任務(wù)。天問一號由軌道器、著陸器、巡視器三個部分組成，總質(zhì)量約5噸。本次探測任務(wù)將一次性完成 “繞、落、巡”三大任務(wù)，這也標(biāo)志著我國行星探測的大幕正式拉開。本文將帶大家一起認識中國的火星探測之旅。

為什么要去火星

各種科幻電影里，經(jīng)常出現(xiàn)人類把火星當(dāng)作移民太空的目的地，最近也有不少火星題材的科幻電影找我咨詢相關(guān)的內(nèi)容?；鹦侵猿蔀槿祟愄找泼竦氖走x地，首先是因為它是與地球相對距離比較近的鄰居之一，與地球同處于太陽系的“宜居帶”中。

另外，很多學(xué)者認為火星曾經(jīng)具備非常宜居的行星環(huán)境，也是太陽系內(nèi)跟地球環(huán)境最相似的行星?；鹦菍嶋H上擁有支持生命所需的所有資源，未來人類有可能通過開發(fā)、改造與利用，形成新科技文明，讓人類實現(xiàn)在另一個星球的繁衍，成為多星球、跨星際的物種。

當(dāng)然這一切的實現(xiàn)都依賴于人類未來能大規(guī)模登陸火星、必要物資運輸往返于地球與火星，我們需要學(xué)會如何有效地利用太陽能，將火星本地的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可以利用的資源，在火星建立越來越多適合居住的城市，并最終將它改造成一個更適合居住的星球——人類的第二家園。今天我們走出的就是通向這個激動人心的未來的第一步。

26個月一次的太空旅行

關(guān)于火星探測，一個常見的名詞就是“火星沖日”，每26個月才會出現(xiàn)一次的天文現(xiàn)象。如何理解這一現(xiàn)象對于火星探測的意義呢？

在太陽系這個“操場”上，八大行星在各自的跑道上逆時針繞著太陽跑。地球在第三跑道，火星在第四道，即便跟火星挨著跑道距離“不算遠”，也是到月球距離的140倍到1 000倍。

地球的公轉(zhuǎn)周期是365天，火星的公轉(zhuǎn)周期是687天（也就是說火星上一年相當(dāng)于地球上兩年的時間），兩者會合周期是779.9天。由于行星公轉(zhuǎn)的非均勻性，可以說地球和火星處于最近點的時間間隔為780天，就是約26個月，也就意味著一旦錯過發(fā)射窗口就需要再等兩年。

2020年是兩年一次的火星年，而今年的7月中旬至8月中旬則是最佳的“火星探測窗口月”。2020年10月14日將迎來 “火星沖日” 的天文學(xué)現(xiàn)象，也就是說到時火星、地球和太陽所處的軌道位置將能大致形成一條直線，火星和地球的距離也將相對最近（今年的距離大約是6 700萬千米）。

當(dāng)然，如果等到“火星沖日”之時再從地球發(fā)射探測器，等幾個月飛過去，火星早已不在原地等著了。所以考慮到我們與火星的距離以及地球和火星的公轉(zhuǎn)速度，最佳的發(fā)射時間是“火星沖日”之前兩個月左右，此時火星恰好處于地球前方約44°的相對位置。

因此，每隔26個月才會出現(xiàn)一個發(fā)射機遇期，每次時長約在一個月左右，這就是火星探測器的“發(fā)射窗口”。阿聯(lián)酋“希望”號火星探測器于2020年7月20日升空；美國宇航局（NASA）的“毅力”號也緊隨我國天問一號之后在7月30日發(fā)射。

探測火星有多難

從1964年“水手4” 號火星探測器發(fā)射，1965年回傳第一張火星表面照片開始，50多年時間里，人類已先后對火星開展了大約50次火星探測，但是整體上成功率也就一半左右。為什么火星探測這么困難呢？探測火星的難度主要在于地球與火星之間距離遙遠，以及對火星環(huán)境的不可控性。相比地月距離，地球與火星的距離最遠時約為4億千米，最近時也有約5 600萬千米。以我國這次將要發(fā)射的火星探測器為例，需要飛行200多天才能到達遙遠的火星。這帶來的首個挑戰(zhàn)就是在攜帶燃料有限的情況下，探測器如何能夠飛越如此遙遠的距離，并且要精準(zhǔn)地進入火星軌道。這就需要我們對探測器飛行軌道進行精密的設(shè)計。

通常來說，火星探測有四種方式：探測器從火星軌道飛掠（也就是不被火星引力俘獲），抓拍照片（早期的火星探測連抓拍都沒能實現(xiàn)，第一次還是1965年水手4號實現(xiàn)了模糊抓拍）；在火星軌道上繞飛，進行較遠距離的遙感探測（環(huán)繞器）；探測器實際降落到火星表面，開展火表就位探測和實驗（著陸器）；以及能在火星上具備移動能力的巡視器（火星車）。

2016年1月批準(zhǔn)立項的天問一號是我國首次自主執(zhí)行火星探測任務(wù)，計劃一步實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測（一次性實現(xiàn)“繞、落、巡”三大任務(wù)），獲取豐富、立體、多樣的火星探測科學(xué)數(shù)據(jù)，這在世界航天史上還沒有過先例。即使我們有了“五戰(zhàn)五捷”的探月經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，也依然面臨著非常大的挑戰(zhàn)。采用這種跨越式發(fā)展的路線，將邁出我國行星深空探測堅實的第一步，更體現(xiàn)了我們國家航天工業(yè)水平的深厚積累和自信！

根據(jù)目前的計劃，探測器將于2021年2月11日前后進入環(huán)繞火星運行的軌道，并于2021年4月23日通過著陸器降落火星車到火星表面，進行設(shè)計壽命90天的探索工作。天問一號火星探測器進入太空后，整流罩中的天問一號火星探測器會與火箭“星箭分離”，先在地球附近加速，中途會進行必要的修正，進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道利用慣性保持飛行，進入正確軌道對火箭的運載能力和入軌精度有很高的要求，所以這次發(fā)射任務(wù)使用了新一代運載火箭中推力最大的 “胖五” —— “長征五號”運載火箭，這次任務(wù)也稱之為長征五號遙四運載火箭。

天問一號獨自飛向火星的孤獨之旅大概需要7個月的時間，在慣性飛行過程中不需要消耗燃料。等到達火星軌道時，探測器會擇機進行“剎車”制動，降低飛行速度進入火星引力場范圍，切入火星軌道，被火星捕獲。這又是一個精準(zhǔn)的操控過程：在切入火星軌道時，如果切入點離火星太近，探測器可能會墜毀；如果太遠，探測器可能無法被引力捕獲而掠過火星。本次火星探測任務(wù)需要實現(xiàn)的第一階段目標(biāo)就是：環(huán)繞火星飛行。

切入火星軌道后，再經(jīng)過多次調(diào)整，環(huán)繞器就可以在任務(wù)軌道進行環(huán)繞探測了。這時我們將迎來火星探測任務(wù)的第二個階段，也是最難的任務(wù)—— 火星軟著陸。火星探測器需要將2萬多千米/小時的超高速，減到火星著陸時的零速度，整個過程需要在7分鐘內(nèi)完成，也被行內(nèi)稱為“恐怖7分鐘”。在7分鐘內(nèi)，讓其速度在受控狀態(tài)下降為零。我們知道火星大氣密度只有地球的1%，并不利于降速。實現(xiàn)在火星上的安全著陸是火星探測任務(wù)中技術(shù)難度最大、失敗率最高的環(huán)節(jié)。著陸器何時開始減速進入火星大氣、進入的姿態(tài)、進入的角度都需要精準(zhǔn)控制，每一個環(huán)節(jié)的細節(jié)都是著陸能否成功的關(guān)鍵，必須非常精確，不容任何閃失。我們對于火星上特殊的環(huán)境，尤其是大氣狀況的了解非常有限。再加上地火距離遙遠，從地球發(fā)送到火星的單程無線電信號，單程延時超過20分鐘，一來一回就接近一個小時，火星探測實時響應(yīng)無法實現(xiàn)，不可能依靠地球指揮著陸。

執(zhí)行中國首次火星探測任務(wù)（行星探測工程天問一號任務(wù)）的長征五號遙四運載火箭

天問一號任務(wù)計劃采用的減速方式將分為四個階段進行。第一個階段是氣動減速段，探測器先從運行軌道自由下落，與大氣層發(fā)生劇烈摩擦，等于踩下“急剎車”，在大約290秒內(nèi)將速度從4.8千米/秒驟然降低到460 米/秒。在經(jīng)歷大氣層的嚴酷考驗后，緊接著探測器打開降落傘緩緩降落，在大約90秒后，速度會進一步降到約95 米/秒。隨后進入第三個階段——動力減速段，探測器的反推發(fā)動機開始工作，在80秒內(nèi)將速度降到3.6 米/秒以下。當(dāng)探測器距離火星表面約100 米高時，就進入了最后的著陸緩沖段，探測器準(zhǔn)備開始懸停避障。此時探測器的速度已經(jīng)很慢了，探測器會自主觀察火星表面，快速計算出最佳著陸點。最終它將水平移動到該點上方，伸出“四條腿”，并在穩(wěn)定著陸后展開舷梯釋放火星車。

另外，火星地表沙塵暴非常暴烈，一旦發(fā)生全球性沙塵暴，破壞力是地球12級臺風(fēng)的6倍。蘇聯(lián)的探測器就曾遇到沙塵暴而導(dǎo)致任務(wù)失敗?，F(xiàn)在只有美國軟著陸火星成功過，但失敗也同樣很多。可以說月球探測的難度跟火星探測相比，一個是渡江，一個是跨洋。一切順利的話，天問一號著陸巡視器將選擇合適的時間軟著陸在火星表面的烏托邦平原，火星車從著陸器緩緩走下，開始巡視和科學(xué)探測任務(wù)。這是天問一號的一小步，也是中國行星探測的一大步。

天問：懷揣中國航天夢的遠征

天問一號中“天問”的命名來源于中國偉大的愛國主義詩人屈原的長詩《天問》，表達了中華民族對真理追求的堅韌與執(zhí)著，體現(xiàn)了對自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學(xué)真理征途漫漫，追求科技創(chuàng)新永無止境。在2020年4月24日中國航天日上，中國行星探測任務(wù)被正式宣布命名為“天問系列”，首次火星探測任務(wù)被命名為天問一號，后續(xù)行星任務(wù)則依次編號 。

這里介紹一下中國行星探測工程的整體概念，它以“攬星九天”作為工程的圖形標(biāo)識，太陽系八大行星依次排開，表達了宇宙的五彩繽紛，呈現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的豐富多彩。標(biāo)識以開放的橢圓軌道整體傾斜向上，展示了獨特字母“C”的形象，代表了中國行星探測（China），體現(xiàn)著國際合作精神（Cooperation），標(biāo)志著深空探測進入太空能力（Capability）。意義深遠的名稱與圖形標(biāo)識承載著中國人航天強國的夢想，為人類和平利用太空、推動構(gòu)建人類命運共同體貢獻更多中國智慧、中國方案和中國力量。前往未至，發(fā)現(xiàn)未知。

哪些科學(xué)問題值得關(guān)注

人們現(xiàn)在認為火星在幾十億年前曾是適合生命演化的環(huán)境，那么今天火星上到底有生命嗎？如果今天沒有，是否的確存在過生命？如果存在過，火星的生命起源跟地球有什么相似之處，是否有著共同的起源？那是否意味著生命在更廣泛的宇宙環(huán)境中可能存在，或者至少有存在的條件？我們又應(yīng)該去哪里尋找？這些問題都直指最基本的問題：我們是誰，我們從哪里來，要往何處去？

天問一號計劃開展多項科學(xué)研究，比如火星的磁場探測與演化研究，地形地貌特征，火星大氣層與電離層的探測及相關(guān)的環(huán)境科學(xué)等?；鹦堑钠鹪磁c演化研究又可以給我們提供除了地球以外的又一個行星樣本，幫助我們研究太陽系起源的相關(guān)問題。這些研究也為未來大規(guī)模移民火星做準(zhǔn)備，比如火星的表面物質(zhì)成分和資源利用的可能性（到火星采礦）。這是未來人類大規(guī)模移民的基礎(chǔ)。

火星能否成為我們的第二故鄉(xiāng)

火星是太陽系中與地球環(huán)境最相似，且距離第二近的行星，我們說到了解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要價值，也對人類拓展生存空間具有重要意義。因此它也成為目前除地球以外人類研究程度最高的行星。如果天問一號探測任務(wù)成功完成，也將為我們提供關(guān)于火星的大量全新信息。當(dāng)然，火星雖然與地球十分相似，但是目前已知的火星環(huán)境還遠不能滿足人類基本的生存需求，比如火星的大氣太稀薄、氧氣含量太低、晝夜溫差太大……

水是生命存在的基礎(chǔ)條件之一?，F(xiàn)在的理論認為火星上曾經(jīng)存在的水量平均下來能達到100米深，火星的北半球幾乎都曾被海洋覆蓋。這么大量的水現(xiàn)在都看不到了需要得到解釋。有可能部分逃逸到太空中，另外不知什么原因，火星的水也可能都轉(zhuǎn)入到地下了。此前的各種探測在火星表面似乎發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水流過的痕跡，也有證據(jù)表明大量的水冰存在于極地的冰蓋中?；谶@些證據(jù)推測到火星上可能存在過生命，雖然20世紀(jì)七八十年代開始的多次直接火星探測都沒有發(fā)現(xiàn)生命的跡象。

在以往的火星探測中可以發(fā)現(xiàn)，火星上有海岸線、沖積扇、鵝卵石等地質(zhì)特征；在對火星巖石的探測中，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了被水浸泡形成的特殊礦物等。這些都證明，這里曾出現(xiàn)過大規(guī)模的江河湖海，可以想見，曾經(jīng)的火星可能也是一片澤被茂盛、生機蓬勃的天地。

2018年，科學(xué)家在火星南極冰蓋下發(fā)現(xiàn)20千米寬的液態(tài)水體，更讓科學(xué)界為之一振。為了繪制火星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖，天問一號環(huán)繞器和火星車都配備了探地雷達。環(huán)繞器上的雷達可以“看透”幾千米深的地層，火星車上的雷達雖然看不到這么深，但分辨率卻能達到厘米級，期待能幫助我們了解火星地表以下的水冰分布。

那么火星上的水是怎么“丟失”的呢，火星的環(huán)境為什么會突然“惡化”呢？一個明明處于宜居帶之內(nèi)、被人們寄予厚望、可能存在生命的星球，是如何變成了如今寸草不生的荒漠呢？有理論認為，火星曾擁有和地球類似的磁場。然而隨著火星內(nèi)核中熔融的鐵逐漸冷卻，它的磁場也逐漸減弱甚至消失。失去了地磁場的火星被暴露于太陽風(fēng)和輻射下，導(dǎo)致其失去了地表水和大氣。

火星的磁場究竟發(fā)生過怎樣的變化？天問一號另一項激動人心的任務(wù)是探測火星的磁場。天問一號環(huán)繞器與火星車將為我們提供更多的證據(jù)。除此之外，環(huán)繞器和火星車還將搭載礦物光譜儀、高能粒子分析儀、激光擊穿光譜儀等多種儀器。這些設(shè)備將幫助遠在地球的科學(xué)家研究火星巖石、土壤和大氣的成分，更好地了解火星環(huán)境。研究領(lǐng)域涉及火星的地形地貌、巖石物質(zhì)成分、土壤厚度成分、次表層地下水體分布、重點著陸區(qū)域詳查、火星磁層、電離層、大氣層和氣候研究，磁場、重力場的探測等。除了衛(wèi)星工作必要的功能外，天問一號共搭載有13臺科學(xué)探測儀器。

多位“探火”選手陸續(xù)出發(fā)

7月20日凌晨，阿聯(lián)酋希望號火星探測器搭乘三菱重工H-IIA火箭從日本種子島航天中心發(fā)射升空。作為“火星2020”第一個出發(fā)的選手，希望號成功發(fā)射入軌，開始了漫長的火星旅程。第二位選手——我國的天問一號于7月23日發(fā)射，將成為全球第一個首次探索火星就一舉完成火星著陸并開展“繞、落、巡”的國家，開展火星全球性和綜合性探測，并對火星表面重點地區(qū)精細巡視勘查。

第三位選手——美國的毅力號于7月30日發(fā)射，它以尋找生命相關(guān)標(biāo)志物為探測重點目標(biāo)，有以下幾大任務(wù)：一是在火星上火山口附近提取火星巖石樣本，并妥善封存在43根樣品管中（這些樣本有望在2030年之前被后面的火星探測任務(wù)帶回地球）；二是從火星富含二氧化碳的大氣中制造氧氣（實驗性的技術(shù)驗證），為人類未來登上火星探路；三是釋放“創(chuàng)造”號火星無人機，在火星進行受控飛行。核心目的還是希望能回答“火星上究竟是否有過生命”這一最為關(guān)鍵的火星科學(xué)問題。

本來是有第四位選手的，由俄羅斯研制著陸器，歐洲空間局研制火星車，兩者合體前往火星。這輛采用太陽能發(fā)電的火星車，將鉆入地下兩米深處進行采樣分析，或許這里還保留著遠古時代形成的微生物證據(jù)。然而可惜的是，2020年3月12日，歐空局和俄羅斯宇航局突然宣布由于新冠疫情的影響，該任務(wù)推遲兩年到下一個火星發(fā)射窗口發(fā)射。

商業(yè)航天何時開展火星探測

航天是一個系統(tǒng)工程，深空探測尤其體現(xiàn)了航天工程的系統(tǒng)性和復(fù)雜性。遙遠的距離也給航天器的通信、測控帶來了極大困難。所以說火星探測是檢驗一個國家航天能力，尤其是深空探測能力的試金石，一度只有國家層面才有可能開展火星探測。自從美國的SpaceX公司開啟私營航天新時代以來，過去只在科幻電影與小說中出現(xiàn)的太空旅游情節(jié)，已不再那么遙不可及，SpaceX就在不久前剛剛把兩位宇航員成功送入國際空間站。隨著民營企業(yè)在航天領(lǐng)域的迅速崛起，未來火箭發(fā)射成本降低，地球與火星廉價航線的開通還是很值得期待的。中國商業(yè)航天從2015年開始也迅速成長起來，相信商業(yè)月球探測、小行星探測、火星探測已經(jīng)離我們不遠了。

于太陽系而言，八大行星之外，還有無數(shù)小行星和彗星等著我們?nèi)ヌ剿?；于銀河系而言，太陽也只是一顆中等質(zhì)量、中等亮度、中等能量、中等壽命的普通得不能再普通的恒星；于可觀測宇宙而言，像銀河系這樣的至少還有數(shù)千億個……誠然，與宇宙137.7億年的漫長歷史相比，人類文明僅數(shù)千年之久?；鹦遣粫鹊厍蚋篮?，今天的火星遠不適合人類生存，但人類必須去探索，這是寫入人類基因的渴望，也是這個物種的宿命。

中國開展火星探測有什么意義

很多人問我中國首次自主火星探測任務(wù)的意義，其實我不知道該怎么回答，科學(xué)意義、工程意義、里程碑意義，小至一批青年人幾乎全部青春的付出，大至中國的航天事業(yè)，一個國家，一個時代，其實能說的很多。天文學(xué)的研究其實很看淡時空坐標(biāo)，畢竟把宇宙137.7億年的歷史壓縮成一年，人類的現(xiàn)代文明真的就是“滅霸”的一個響指那么短暫。

你可以這么想，地球上最古老的文明們都曾經(jīng)對天空中一顆最特別的火紅色光亮星球發(fā)出過驚嘆。一個東方的古老文明留下了一篇詩歌，這篇詩歌記載了困惑著他關(guān)于這個未知而神秘的世界的146個問題，幾千年來歷經(jīng)滄桑的文明一直惦記著老祖宗的那些問題，在這片土地上的文明重新崛起的過程里，還沒有忘記這個初心。2020年7月23號，一群航天人向著這顆紅色熱土吹響沖鋒號，這片土地上的人民都應(yīng)該仰望蒼穹，我們向偉大的祖先致敬，向偉大的時代致敬，向這個偉大的文明，致敬！

天問，問天。2 300多年前，屈原問蒼穹，留下來的是古人洞悉千年時空的智慧。我想在這片中華大地上不知有多少人曾把酒問天，中華民族傳承著千年夢想。我不知道如何能夠形容我內(nèi)心的感慨萬千，這是一個民族跨越山河與時空的聲音。問天，就在今天！

本文由微信公眾號“知識分子”（The-Intellectual）提供