進軍火星正當時

李忠東

編者按：火星是太陽系中與地球最相似且距離第二近的行星，成為人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測的首選目標。2020年是2年一次的火星年，而在7月中旬至8月中旬的火星發(fā)射窗口期，迎來了三國齊聚共同奔赴火星，開啟深空探測的新高潮。本期“銳·聚焦”欄目再次將關(guān)注的目光投向這顆紅色星球，期待在這一輪探測火星的熱潮中增進我們的科學認知。

“天問一號”：一次完成“繞落巡”

2020年7月23日12時41分，在海南文昌航天發(fā)射場，長征五號遙四運載火箭托舉著承擔我國首次火星探測任務(wù)的“天問一號”探測器直刺蒼穹，在天際劃出一道金色曲線。運載火箭在飛行了2000多秒后，成功地將探測器送入預定軌道，自此開啟火星探測之旅，邁出了我國自主開展行星探測的第一步。“天問”是中國行星探測任務(wù)的名稱，源于屈原的長詩《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，寓意探求科學真理征途漫漫，追求科技創(chuàng)新永無止境。

目前“天問一號”工作狀態(tài)良好，7月27日，北京航天飛行控制中心飛控團隊與中國空間技術(shù)研究院試驗隊密切配合，控制探測器在飛離地球約120萬千米處回望地球，利用光學導航敏感器對地球、月球成像，獲取了“地月合影”。在這幅黑白合影圖像中，地球與月球一大一小，均呈新月狀，在茫茫宇宙中相互守望。8月2日7時整，探測器3000牛發(fā)動機開機工作20秒，順利完成第一次軌道中途修正，朝火星飛去。根據(jù)計劃，在2021年2月11-24日探測器將實施本次火星探測第一階段的任務(wù)：環(huán)繞火星飛行。接下來，探測器將于2021年4月23日實現(xiàn)第二階段的目標：降落一臺火星車到火星表面，進行長達90天的探索工作。

我國首次執(zhí)行火星探測任務(wù)于2016年1月批準立項，此次任務(wù)設(shè)立2個工程目標：一是邁出我國行星探測的第一步，突破火星制動捕獲、進入/下降/著陸、長期自主管理、遠距離測控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)火星環(huán)繞探測和巡視探測，獲取火星探測科學數(shù)據(jù)，實現(xiàn)我國在深空探測領(lǐng)域的技術(shù)跨越。二是建立獨立自主的深空探測工程體系，包括設(shè)計、制造、試驗、飛行任務(wù)實施、科學研究、工程管理以及人才隊伍，推動我國深空探測活動可持續(xù)發(fā)展。

此次“天問一號”火星探測任務(wù)的最大亮點是利用一次發(fā)射完成環(huán)繞、著陸、巡視火星這三大任務(wù)，即一次完成“繞、落、巡”，這在人類火星探測史上是前所未有的?！耙慌e三得”的探火方式起點高、效益高，但挑戰(zhàn)極大，目前只有美國完成過“一舉兩得”的探火方式。我國將在深空探測能力上實現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界上第三個探測器在火星著陸和第二個探測器在火星巡視的國家。

“天問一號”有獨特的結(jié)構(gòu)和性能特征：它由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，著陸巡視器又分為進入艙和火星車。在運行到選定的進入窗口后，探測器進行降軌控制，釋放著陸巡視器;環(huán)繞器則進行升軌控制，進入中繼通信軌道，為火星車提供中繼通信鏈路，并開展環(huán)繞科學探測。著陸巡視器與環(huán)繞器分離后，進入火星大氣，通過傘降和反推發(fā)動機的減速方式，軟著陸于火星表面?；鹦擒噺闹懫脚_上分離以后，就可以在火星表面開展工作了。

探測器共配置13臺科學載荷，其中包括軌道器上的7臺儀器：2臺攝像機、火星軌道地下探測雷達、火星礦物學光譜儀、火星磁場儀、火星離子和中性粒子分析儀以及火星高能粒子分析儀，用于對火星開展全球性、普查性綜合探測，并為巡視器提供中繼通信鏈路;火星車上安裝有6種儀器：多光譜攝像機、地形攝像機、火星探測器地下探測雷達、火星表面成分檢測器、火星磁場檢測器和火星氣象監(jiān)測器，用于在著陸區(qū)開展區(qū)域性、精細性巡視探測。軌道器設(shè)計壽命為2年，著陸器及巡視器設(shè)計壽命為90個火星日（一個火星日約24小時40分鐘）。

“天問一號”火星探測任務(wù)是“天問”行星探測計劃的第一個任務(wù)單元，目標是探測火星表面物質(zhì)成分、火星磁場及宇宙輻射環(huán)境、水冰存在情況、火星氣候特征，以及對探測區(qū)域內(nèi)的火星表面進行拍照，從而為科學家進一步了解火星演化提供最新的第一手科學依據(jù)，意味著今后我們除了會經(jīng)常聽到來自月球的“聲音”外，還會時不時聽到火星的“回應”?！疤靻枴毕盗刑綔y任務(wù)還將繼續(xù)，我國計劃在2030年開展第二次火星探測任務(wù)，也會繼續(xù)推動小行星探測和木星、土星等更遠星球的探測工程。

阿聯(lián)酋“希望號”：開展科學研究

2020年當?shù)貢r間7月20日凌晨13時58分，阿拉伯聯(lián)合酋長國首個火星探測器“希望號”搭乘H-2A運載火箭在日本種子島太空中心成功發(fā)射升空。探測器長度為2.9米，寬度為2.37米，包含燃料總質(zhì)量為1.5噸，整體尺寸相當于一輛小型轎車。如果后續(xù)進程順利，探測器預計將經(jīng)過7個月左右時間，于2021年2月環(huán)繞火星軌道運行，對火星大氣開展科學研究。進入軌道后，探測器將開啟為期一個火星年（約687天）的首期探測任務(wù)。如果“希望號”成功進入火星軌道在軌運行，那么阿聯(lián)酋將成為繼美國、俄羅斯、歐洲航天局、印度之后，第5個成功完成火星探測的國家或組織。

“希望號”由阿聯(lián)酋和美國合作研制，主要任務(wù)是拍攝火星大氣層的圖片，研究火星大氣的日常和季節(jié)變化。探測器已攜帶3組研究火星大氣層和監(jiān)測氣候變化的設(shè)備飛向火星，其中探索多光譜相機用于探測水、冰、沙塵暴、氣溶膠和火星大氣逃逸等現(xiàn)象，主要服務(wù)于火星大氣探測;紅外光譜儀用于觀測沙塵暴、水汽和冰雪，研究火星水循環(huán)和氣候問題;極紫外光譜儀主要用于測量火星熱層，以及氣態(tài)氫和氧從火星大氣逃逸的情況。美方團隊認為，阿聯(lián)酋工程師團隊經(jīng)過這次實戰(zhàn)，已具備獨立完成某些新探測任務(wù)的能力和條件。

“希望號”并不計劃在火星著陸，而是在距火星表面2萬～4萬千米的軌道上環(huán)繞火星運行。探測器繞火星運行一周大約需要55小時，將持續(xù)圍繞火星運行至少2年?！跋Ｍ枴钡诌_軌道后，將像氣象衛(wèi)星一樣收集火星不同區(qū)域在不同季節(jié)、不同時間段的全天候氣象數(shù)據(jù)，建立起完整的火星大氣變化資料庫。相關(guān)數(shù)據(jù)將與全球200多個太空研究中心共享，以幫助研究人員更全面了解和掌握火星的氣候條件。這將有助于科學家研究火星干涸之謎，因為過去的研究顯示火星曾經(jīng)和地球一樣存在大量的水，也將有利于研究地球大氣層的演變。

“希望號”火星探測計劃的另一個目的是激發(fā)阿聯(lián)酋和阿拉伯世界年青一代的好奇心和創(chuàng)造力，激發(fā)他們對科學和太空的興趣，為太空科研的持續(xù)發(fā)展儲備人才。從長遠來看，探測計劃還與阿聯(lián)酋經(jīng)濟轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略息息相關(guān)，即減少國民經(jīng)濟總量中石油、天然氣等傳統(tǒng)能源所占比例，通過培養(yǎng)高科技人才，營造一流的科研環(huán)境，逐步向高科技、知識型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，以適應未來世界的發(fā)展趨勢。

美國“毅力號”：尋找古老生命

2020年美國東部時間7月30日7時50分，美國宇航局（NASA）的“毅力號”火星車從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地41號發(fā)射場，搭載于由聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的“Atlas 5號”火箭上發(fā)射升空?！耙懔μ枴遍L約3米（不包括機械臂），寬2.7米，高2.1米，機械臂長約2.1米，重量約為1025千克。從外形上看，它是一個汽車大小的長形六輪漫游車，被稱為“火星自動駕駛汽車”，比“好奇號”配備了更先進的自動駕駛系統(tǒng)和更多的彈力車輪?！耙懔μ枴陛d荷59千克，攜帶火星環(huán)境動力學分析儀、行星X射線儀、火星地下實驗雷達成像儀等先進的科學儀器。此外，“毅力號”上搭載的2個麥克風既能收錄火星車登陸火星的聲音，也可以捕捉得到火星上的風吹草動。若順利的話，人類將首次聽到火星上的聲音。

“毅力號”登陸火星后，將尋找古老的微生物生命跡象，探索火星的氣候和地質(zhì)特征，收集巖石和風化層樣本并帶回地球，為人類登陸和探索火星探路。作為NASA“月球到火星”探索計劃的一部分，“毅力號”經(jīng)過7個月的飛行后，將于2021年2月18日在火星上一個名叫“杰澤羅”的深達250米的隕石坑底部著陸。它將鉆探土壤和沉積物樣品，并將樣品儲存起來，以備將來由其他火星任務(wù)帶回地球。同時，還要進行地質(zhì)分析和氣候監(jiān)測，探究宇航員在火星惡劣環(huán)境中的生存方式?？茖W家懷疑“杰澤羅”隕石坑在35億年前是一個湖泊，面積與地球上北美的太浩湖差不多大。在那里，有可能發(fā)現(xiàn)有機分子和其他潛在的微生物存在的生命跡象，這意味著當時的環(huán)境要比今天的火星更加宜居。

“毅力號”的“腹部”內(nèi)藏有“機智號”火星直升機。在“毅力號”登陸火星約2個月后，“機智號”才會部署到火星表面，成為首架在另一個星球上進行動力飛行的飛行器。在火星表面探索的初期，“毅力號”和“機智號”團隊將尋找潛在的機場，即一塊10米見方、相對平坦的區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)不能有任何的障礙物，并且當“毅力號”降落在一塊足球場的距離以外時，可以看到火星直升機的飛行。如果此次任務(wù)成功，NASA希望它能帶來不同的視覺感受，幫助科學家研究一些火星車不能到達的地方，為星際探索開辟新的途徑?！皺C智號”有4個能以2400轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)的碳纖維螺旋槳片，其轉(zhuǎn)速是地球上速度的8倍，以便在稀薄的火星空氣中提供升力?！皺C智號”此次攜帶有太陽能電池板、黑白和彩色攝像機、計算機系統(tǒng)和巡航系統(tǒng)。

同時，“毅力號”還攜帶了宇航服5個不同部位的不同材料樣本進入火星，在火星的強烈輻射下進行測試，直接解決宇航員未來應該在火星上穿什么樣的宇航服的問題。接下來，NASA計劃在2024年前將一男一女兩名宇航員送上月球，為將來人類登上火星作準備。更先進的下一代宇航服將保護宇航員免遭輻射傷害，并使他們保持舒適的溫度。此外，“毅力號”還攜帶了聚碳酸酯頭盔面罩觀察窗的材料樣品，以及聚四氟乙烯和聚四氟乙烯涂層樣品。

此次“毅力號”還裝備了能夠進行遠程科學研究的其他特殊設(shè)備，其中攝像機讓科學家在未親眼看到樣品的情況下，研究火星的礦物學和地質(zhì)化學，數(shù)臺光譜儀能揭示樣品中所含的化學元素，傳感器可以測量溫度、風速、濕度、壓力以及塵埃的大小和形狀?！耙懔μ枴睌y帶了名為“火星氧氣原位資源利用實驗（MOXIE）”的設(shè)備，其目的是從火星大氣中生成氧氣?；鹦谴髿庵?5%是二氧化碳。MOXIE制造的氧氣可以作為火箭燃料的助燃劑，為未來在火星上的宇航員返回地球提供條件。

火星探測任務(wù)之所以受到如此重視，是因為登陸火星是任何太空強國都需要歷經(jīng)的考驗。一次成功的火星探測，可以讓一個國家迅速成長為“太空精英俱樂部”的一員。人類為登陸火星所作的各種努力，都將促進其他太空項目的實施。綜上所述，我國的“探火計劃”是迄今最為復雜的，此舉大大增強了我國的太空技術(shù)能力，同時提升了我國航天事業(yè)在國際上的聲望。此外，我國的火星探測計劃還與其他任務(wù)相互促進，提高我國的自動深空探索能力，促進太空科學的發(fā)展。

火星，中國人來了！如今，中國人將以另一種形式向茫茫宇宙發(fā)出新時代的“天問”。