探火坎坷，“天問一號”還需趟多少難關(guān)?

freelee

“起點高、難度大”，這六個字是對中國火星探測任務(wù)的中肯評價。2021年3月4日，距離“天問一號”探測器發(fā)射升空已經(jīng)過去224天。當日，國家航天局發(fā)布3幅由“天問一號”拍攝的高清火星影像圖，展示了“天問一號”任務(wù)的階段性成果。

然而，“天問一號”的征程遠未結(jié)束。重頭戲著陸任務(wù)預(yù)計在5-6月。成功著陸后，“天問一號”將“兵分兩路”：火星表面的著陸巡視器將執(zhí)行為期3個月的巡視任務(wù);而維持在火星軌道上的環(huán)繞器，還要進行一個火星年（折合約兩個地球年）的深度探測工作。

繼承“螢火一號”“遺志”

國家航天局對“天問一號”提出一次性實現(xiàn)“繞、著、巡”三大任務(wù)的目標?！袄@”即“環(huán)繞”，指探測器進入火星軌道，可環(huán)繞火星收集各類數(shù)據(jù);“著”即“著陸”，探測器直接降落在火星表面;“巡”即“巡視”，探測器不但降落在火星表面，還可以派出火星車在表面移動。

“天問一號”是中國第—次自主火星探測任務(wù)。此前中國也制造過火星探測器。2011年11月，“螢火一號”搭載在俄羅斯的“福布斯一土壤”探測器中，在哈薩克斯坦的拜科努爾航天中心發(fā)射升空?？缮?，俄方探測器未能按計劃變軌，“螢火一號”隨之被困太空兩個月后墜毀。

本次“天問一號”任務(wù)完全由中國自主執(zhí)行。實現(xiàn)一次性“繞、著、巡”的目標，在火星探測史上前所未有。中國敢于在本國的首次行星探測任務(wù)中，提出全球航天意義上的突破性目標，配得上“起點高”的評語。

“難度大”則是火星探測任務(wù)本身的特性。自1960年蘇聯(lián)執(zhí)行“火星1A號”任務(wù)以來，各國近50次與火星相關(guān)的太空任務(wù)，成功率僅約50%。其中比較突出的成就，主要由美國和蘇聯(lián)實現(xiàn)。

1965年，美國“水手4號”首次實現(xiàn)飛掠火星。1971年，美國“水手9號”率先實現(xiàn)環(huán)繞火星軌道。蘇聯(lián)“火星3號”則第一次在火星表面成功軟著陸。1997年，美國“旅居者號”成為首臺在火星地表工作的火星車。

/繼承蘇聯(lián)太空科技成果的俄羅斯，都暫時沒有成功完成完整的火星任務(wù)。/

而到目前為止，成功按計劃完成火星任務(wù)的國家和地區(qū)只有4個——美國、蘇聯(lián)、歐洲、印度。甚至連繼承蘇聯(lián)太空科技成果的俄羅斯，都暫時沒有成功完成完整的火星任務(wù)。不過，俄羅斯與歐洲航天局合作的火星微量氣體任務(wù)衛(wèi)星已順利運行4年，按計劃完成的機會很大。

印度是火星探索的新勢力。2013年，印度空間研究組織發(fā)射火星軌道探測器。探測器2014年進入火星軌道后，原計劃環(huán)火研究6個月，但實際上繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)至今。運作時長超過7年，印度探測器可以說是成功完成任務(wù)。

阿聯(lián)酋也想成為新玩家。它于2020年發(fā)射的探測器“希望號”，在2021年2月入軌，實現(xiàn)中東航天探索的一大突破?！跋Ｍ枴钡闹饕蝿?wù)同樣是環(huán)繞。

所有實質(zhì)上執(zhí)行過火星相關(guān)的發(fā)射計劃的國家和地區(qū)中，只有日本暫時未取得明顯成果。1998年，日本發(fā)射一枚同樣名為“希望號”的火星探測器，但探測器未能進入火星軌道。

著陸時機“短暫而唯一”

中國國家航天局探月與航天工程中心副主任、中國首次火星探測任務(wù)新聞發(fā)言人劉彤杰曾分析，火星探測初期的難度在于人類航天技術(shù)處于起步階段，但目前的難度則與火星的實際條件相關(guān)。

比較典型的難題是窗口期。為了節(jié)省燃料和時間，發(fā)射火星探測器應(yīng)選擇地球與火星相對位置十分接近的時候。這個時機每26個月才出現(xiàn)一次，最近一次是2020年7-8月。

中國、美國、阿聯(lián)酋正是抓住這次窗口期，分別派出“天問一號”“毅力號”“希望號”前往火星。錯過窗口期，就只能再等兩年。

實現(xiàn)環(huán)繞火星是另一個難點。劉彤杰介紹，探測器進入火星引力范圍后需要制動減速，以便被火星引力捕獲。速度太快，探測器就會錯過入軌時機;速度太慢，引力會把探測器直接扯到火星表面。所以什么時候減速、減速到什么程度、減速節(jié)奏怎么樣，這都需要精準計算。

2020年窗口期發(fā)射的探測器中，中國和阿聯(lián)酋探測器均于2021年2月10日成功進入火星軌道，相關(guān)探測、數(shù)據(jù)收集工作相繼展開。這對于均是首次探測火星的兩國來說，都是成功的一大步。

美國則以巡視探測為目標。承擔重任的“毅力號”直奔火星表面，于2月18日成功著陸。美國迄今已成功實現(xiàn)5枚不同的巡視器/火星車著陸。目前其“機遇號”“勇氣號”也和“毅力號”一樣，正在火星表面執(zhí)行各自的探索任務(wù)。

相比“毅力號”“簡單直接”的目標，由于肩負三大使命，“天問一號”旅行的方式有明顯不同?！疤靻栆惶枴痹诃h(huán)繞期間，將多次掠過目標著陸點——北半球的烏托邦平原，開展預(yù)著陸區(qū)成像探測，其間會多次調(diào)整軌道。完成一系列準備工作后，“天問一號”預(yù)計最快在5月?lián)袢罩憽?/p>

著陸才是“天問一號”的最難一關(guān)，中國航天科技集團五院研究員、“天問一號”探測器總設(shè)計師孫澤洲稱，這個機會“短暫而唯一”。由于火星與地球通訊存在延時，在大約7分鐘的著陸過程中，沒有任何人為調(diào)整干預(yù)的機會，全靠探測器根據(jù)實際情況智能應(yīng)變。著陸過程要應(yīng)對火星大氣的影響：火星大氣比地球稀薄，探測器著陸時會遭遇一定阻力和摩擦生熱，但其性質(zhì)與在地球大氣時完全不同。對火星大氣了解程度不足，將為著陸過程帶來變數(shù)。

成功著陸后，新的難題在于火星車派遣。劉彤杰指出，如果著陸點不夠平坦，或者著陸器的著陸姿勢不夠正，都會影響到火星車出動的方式。不過相比著陸，巡視因為可以接受人工控制的指揮，難度沒那么苛刻。

如何破解火星生命之謎

“天問一號”火星車目前尚未定名。國家航天局選出了弘毅、麒麟、哪吒、赤兔、祝融、求索、風火輪、追夢、天行、星火10個候選名稱，供大眾投票選擇喜愛的名字。2月28日投票結(jié)束時，最受歡迎的名字是“祝融”，獲得50萬票。

/對火星大氣了解程度不足，將為著陸過程帶來變數(shù)。/

祝融正是中國神話中火神的名字。腳踩風火輪的另一位神話人物哪吒排名第二，票數(shù)44萬。第三名是42萬票的弘毅，典出《論語》“土不可以不弘毅，任重而道遠”。任重道遠，恰恰也是“天問一號”任務(wù)的寫照。

一旦火星車順利派遣，“天問一號”就進入“天地并存”的階段。在“天上”的火星軌道，環(huán)繞探測器開展對火星全球性、整體性和綜合性的詳查探測。在“地下”的火星表面，火星車專注于重點地區(qū)的高精度、高分辨率的精細探測和就位分析。

從大眾好奇心的角度來說，“天問一號”各項任務(wù)中，最吸引人的大概是“火星是否存在生命”。解答這個問題，當然不是像科幻作品那樣用生命探測儀之類掃描，或者攝影機一通拍找出文明遺跡，而是真切地分析火星具體狀況，例如土壤、地下層特征研究，水冰分布、古代湖泊河流研究，表面礦物研究，氣候環(huán)境、電離層、磁場研究等。通過分析這些與生命密切相關(guān)因素的數(shù)據(jù)，我們才有機會判斷火星現(xiàn)在或曾經(jīng)有無生命的可能性。

實現(xiàn)“繞、著、巡”，“天問一號”任務(wù)就算基本成功了。但中國火星探測的工作節(jié)奏，并不完全局限在“天問一號”上。2020年年底，國家航天局宣布還在規(guī)劃三項行星探測任務(wù)，包括—次小行星的探測和取樣、—次火星的采樣返回、—次木星系環(huán)繞探測和行星穿越探測。

其中火星采樣返回，相當于是一次“著、巡、回”三位一體的任務(wù)。火星的物質(zhì)樣本如何被帶回地球，又將是新的難題。當然，達成“起點高、難度大”的探火成就后，未來中國航天人必將更有信心迎接更大挑戰(zhàn)。