火星，中國來了！

鄭永春

從火星沖日說起

火星沖日是一種常見的天文現(xiàn)象，每當天空中火星和太陽分處地球的兩側，太陽、地球、火星在一條直線上時就會出現(xiàn)?；鹦菦_日前后，黃昏時，太陽剛一下山，火星就從東方的天空升起。黎明前，火星剛從西方的天空落下，太陽就升起來了。這就好似肩上的扁擔，一頭翹起，另一頭就會落下。深夜的時候，太陽在我們腳下的另一個半球，火星恰好在我們頭頂?shù)恼戏?，相當于整夜都可以看到火星。只要天氣晴好，夜幕降臨后，面向東方，你就會看到地平線上升起來一顆亮星，就像一顆紅寶石鑲嵌在黑色的天幕上，熠熠生輝。

火星沖日時，是從地球上觀測火星的最佳時期。航天時代以前，每逢火星沖日，全世界的天文學家都會把望遠鏡對準火星。1610年，伽利略第一次把望遠鏡對準了火星。但他的望遠鏡實在太簡陋了，歷史上并沒有留下什么證據(jù)說明他當時有所發(fā)現(xiàn)。畢竟在那時，從地球上觀測火星還是太遠了。

很多人在介紹天文現(xiàn)象時，經(jīng)常會用多少年一遇說明它的罕見性。2020年10月14日，是26個月一遇的火星沖日。至于觀測火星的時機，其實不限于火星沖日這一天，沖日前后的兩三個月，都是從地球上觀測火星的好時機。整個10月，火星都是夜空中最亮的那顆星，而且長時間可見。通過普通的天文望遠鏡，我們就能看到火星的紅色表面和它的明暗變化，甚至還能看到它白色的極冠。運氣好的話，或許還能識別出火星表面長達4000千米的水手大峽谷。

時至今日，仍然有一種說法認為，火星沖日和個人運勢有某種關系。這是沒有任何道理的。火星沖日時，地球和火星這兩顆行星在太陽的同一側，都朝著太陽的方向，是一種周期性的自然現(xiàn)象。就像操場上跑步的兩位同學，不管誰快誰慢，只要一直在跑，總有機會出現(xiàn)兩人并肩跑的情況。

你可能聽說過水逆，也就是水星逆行，其實火星也會出現(xiàn)逆行。如果長期觀測火星，就會發(fā)現(xiàn)，它在天空中的軌跡（ 相對于恒星組成的背景圖案） 很是詭異。大多數(shù)時候在往前走（ 順行），有時停住不走了（ 留），滯留一段時間后，又開始后退（ 逆行），退了一段時間，又開始往前走。

行星逆行是很常見的天文現(xiàn)象。從地球上看，太陽系的所有行星都會出現(xiàn)逆行，但這只是我們從地球上看事物的直覺，并不符合客觀事實。其他行星和地球一樣，都繞著太陽逆時針公轉，它們到地球的距離有時遠、有時近。如果站在太陽系上方俯視，你會發(fā)現(xiàn)，火星不會逆行，水星也不會逆行，所有行星都不會出現(xiàn)逆行。

火星沖日、火星逆行以及水逆、星座、流星雨等等，這些都是常見的天文現(xiàn)象，與個人的命運沒有任何關系。我們在地球上的生活主要受太陽的引力和輻射的影響，其他行星的引力、輻射，對我們基本沒有影響。就像莎士比亞說過的那樣：“掌握我們命運的不是星座，而是我們自己?！?/p>

火星探測器的發(fā)射時機

2020年7月20日，阿聯(lián)酋發(fā)射了希望號火星探測器;7月23日，中國發(fā)射了天問一號;7月30日，美國發(fā)射了毅力號火星車。為什么這些火星探測器都選在2020年7月飛向火星呢？這是因為，2020年7月—8月，被稱為火星探測器發(fā)射的“窗口期”。

在太陽系中，地球沿著第3條軌道運行，火星沿第4條軌道運行，就像城市道路中的三環(huán)路和四環(huán)路。探測器從地球上發(fā)射后，將沿著發(fā)射時地球所在的位置，與半年多之后航天器抵達火星時火星所在的位置之間的拋物線，飛向火星。這條拋物線就像三環(huán)路和四環(huán)路之間的連接線，是從地球去往火星最節(jié)省能量的一條路線，由德國物理學家霍曼通過計算發(fā)現(xiàn)，被稱為霍曼轉移軌道。

航天器要順利進入霍曼轉移軌道，就要選擇火星位于地球前方44 時從地球發(fā)射，這一時機被稱為火星探測器的發(fā)射窗口。一旦錯過發(fā)射窗口，就要等地球繞太陽再轉2圈多，地球和火星回到原來的相對位置時再發(fā)射，這一等就是26個月。

火星探測器在窗口期發(fā)射最節(jié)省燃料，只需要把從探測器的飛行速度提高到11.2千米/ 秒（ 即擺脫地球引力的第二宇宙速度）。也許你還希望隨時都能去火星，這也不是不可以。只不過，如果在最不利的時機去火星，探測器需要經(jīng)歷加速、減速、改變方向等，這些動作都需要消耗燃料，消耗的燃料如果折算成速度變化量，相當于要把探測器的速度提高到100千米/ 秒，相比發(fā)射窗口期去火星的速度提高了9倍，這對人類現(xiàn)有的航天技術是一個巨大的考驗，即便能實現(xiàn)，也很不經(jīng)濟。所以，要實現(xiàn)火星探測想去就去，任爾馳騁，還需要幾代人的持續(xù)努力。

火星探測器發(fā)射的時候，不是火星沖日的時候，即并不是地球和火星兩者距離最近的時候。因為火星和地球都在往前走，如果在兩者距離最近時發(fā)射，按目前的軌道運行，探測器顯然會錯過火星。所以，火星探測器是在火星沖日之前的2～3個月發(fā)射的。

天問一號的火星之旅

在太陽系中，火星與地球的環(huán)境最相似，是人類深空探測的重點。世界各國迄今已經(jīng)開展了40多次火星探測任務?，F(xiàn)在，中國人開始追趕了。

2020年7月23日中午12時41分，中國在海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射了天問一號火星探測器，正式開啟了中國行星探測計劃的漫漫征途。

“天問”是2300年前我國浪漫主義詩人屈原寫的一首長詩的題目，體現(xiàn)了中國人對自然和宇宙空間探索的文化傳承，展現(xiàn)了中華民族不畏艱難、追求真理的決心和意志?！皵埿蔷盘臁笔俏覈状位鹦翘綔y任務的標識，也是中國行星探測計劃的整體標識。標識展現(xiàn)了八大行星環(huán)繞太陽運行的軌道，意味著中國還將探測太陽系的其他行星及其衛(wèi)星和小天體。在中國首次火星探測任務天問一號之后，未來還會有天問二號、三號、四號……對太陽系的其他天體進行探測。

中國火星探測工程是在探月工程六戰(zhàn)六捷的基礎上實施的，天問一號繼承了我國月球探測時使用的一些成熟技術。比如，天問一號在最后階段登陸火星時，就將采用像嫦娥三號那樣火箭反推懸停以及4條著陸腿的方式。

月球探測和火星探測也有很大不同。比如，月球上沒有大氣，登陸月球靠發(fā)動機反推就可以實現(xiàn)減速，但火星就不同了。登陸火星需要穿越大氣層，經(jīng)歷黑色7分鐘。首先，利用大氣提供的阻力，摩擦減速，就像流星劃過夜空;然后，打開降落傘，進一步利用大氣阻力減速;最后，發(fā)動機短暫工作，通過反推進行減速。多種減速方式綜合使用，才能成功實現(xiàn)登陸火星。由于探月工程的成功實施，我們在開展火星探測時更自信。天問一號三步并做一步走，要通過一次任務，實現(xiàn)對火星的環(huán)繞、著陸、巡視三大目標，步子跨得更大。

以前，在大海中航行的船只，根據(jù)天上的星星確定航向。在茫茫宇宙中飛行的火星探測器，則是根據(jù)地球、太陽、恒星的相對位置變化，確定出自己所在的位置，實現(xiàn)導航，精準地瞄準火星。登陸火星表面后，火星車上下坡的時候，通過觀察太陽的方位，感應重力的方向，計算自己的姿態(tài)，評估安全性?；鹦擒囘€可以通過觀察火星表面的山峰和石塊等顯著標志，確定行駛路線。

天問一號發(fā)射之后，從地球所在的三環(huán)，飛向火星所在的四環(huán)，成為一顆環(huán)繞太陽飛行的人造行星，在追逐火星的路上飛行。由于深空中沒有阻力，巡航期間的飛行不需要消耗燃料就能維持原有速度，實現(xiàn)無動力飛行。在天問一號上，安裝了推力為3000牛、120牛、25牛的各類發(fā)動機，目的是精確控制探測器的飛行姿態(tài)和方向，幫助它始終瞄準火星，不偏離航線，最終成功抵達火星。一路上，這些發(fā)動機一共要經(jīng)歷6次點火工作。

2020年8月2日到2020年10月9日，天問一號經(jīng)歷了3次軌道修正，實現(xiàn)了從地球到火星的軌道轉移。2021年2月10日，春節(jié)前夕，天問一號經(jīng)歷了關鍵一刻。經(jīng)過半年多、4億多千米的長途飛行，天問一號抵達火星。它與火星在太陽系的四環(huán)路上相遇，3000牛的主發(fā)動機進行了一次長時間的點火，經(jīng)過剎車減速，天問一號成功被火星引力捕獲。2021年2月24日，天問一號成功實施第3次近火制動，進入預定的火星停泊軌道，開展科學探測，為登陸火星做準備。經(jīng)過軌道調整，我們的天問一號計劃于2021年5月登陸火星。

地球上的地面站與探測器之間的通信，是通過無線電波實現(xiàn)的，傳播速度為光速，30萬千米/ 秒。月球到地球的平均距離為38萬千米，所以，月球探測器與地球通信時幾乎感覺不到延時，我們可以在地球上實時控制探測器的運動。不同的是，地球與火星之間的距離是變化的，距離最近時約5500萬千米，最遠時能達到4億千米。就像兩位運動員在相鄰的賽道上繞著運動場跑步，兩人之間的距離有時只相當于跑道的寬度，有時卻相當于整個運動場的直徑。因此，地面與火星探測器的通信面臨長達十幾分鐘的延時。這對火星探測的影響很大，也就是說，地球上無法隨時控制探測器。

從地球發(fā)出的指令到達探測器最長需要22分鐘。如果要求探測器在特定時間執(zhí)行命令，地面要提前發(fā)出指令。探測器才能在規(guī)定時間執(zhí)行。天問一號抵達火星時，無論探測器出現(xiàn)什么意外情況，地面都要在十幾到二十幾分鐘后才能知道。地面對這些意外情況進行研究，形成應對方案，生成處置命令后發(fā)送給探測器。十幾到二十幾分鐘后，探測器才能收到這個命令。半個多小時到40多分鐘后，地面才能知道探測器執(zhí)行的指令是否有效。

由于地面站與火星探測器之間的通信延遲太長，在大部分情況下，天問一號是按照既定的程序工作的。同時，它還必須具備一定的自主處置能力。遇到簡單的問題時，自主進入故障分支，通過預先設定的方案自己解決。遇到不能自己解決的復雜問題時，探測器會進入安全模式，關閉不必要的設備，等待地面指令。如果遇到特別復雜的情況，地面工作者還需要在先模擬出現(xiàn)的故障，試驗應對方案是否有效，研究后再進行處理。

遙望火星移民

進入航天時代以來，探測器可以飛到火星附近，甚至著陸火星表面，并在上面駕駛火星車?，F(xiàn)代人對火星的認識，絕大部分已經(jīng)與天文望遠鏡無關，這主要得益于火星探測器得到的結果?？茖W探測的結果發(fā)現(xiàn)，火星上曾經(jīng)有江河湖海，有過濃密的大氣層，它的氣候曾經(jīng)溫暖濕潤，很適合生命的發(fā)育。即便現(xiàn)在的環(huán)境已經(jīng)惡化，成為一顆荒漠行星，但它仍然是太陽系中除地球之外最宜居的行星。

設想我們如果在火星上生存，需要解決哪些問題呢？

第一是解決水的問題。水是生命之源，火星兩極本身就含有豐富的冰山，地下也有冰層，而冰化為水汽后，可以被人類現(xiàn)有的技術輕易提取。除此之外，還有一些方法也可以收集到可用的水源。例如，通過加熱土壤收集水，通過大氣冷凝提取其中的水汽，都是可行的方法。不過，這些途徑需要的技術更復雜，也更昂貴。

第二是解決食物問題。火星的土壤與地球土壤有相似的成分。雖然火星上的太陽光比地球上更弱，但可以通過光線的收集增強或人造光源，來滿足植物光合作用的需要。通過在土壤中加入有機質和微生物群落，使之更接近地球土壤?，F(xiàn)在的技術已經(jīng)可以實現(xiàn)改造火星土壤，從而實現(xiàn)種植的目的。

第三是氧氣供給?；鹦堑拇髿庵屑s有95% 是二氧化碳，氧氣含量不足以支持人類呼吸。不過，現(xiàn)有技術已經(jīng)給出了很好的解決方案。麻省理工學院的科學家發(fā)明了一種制氧機，利用反向燃料電池的原理，可以將火星大氣中約95%的二氧化碳轉化為78% 的氧氣，余下的一氧化碳作為副產品排出制氧機，還可以作為燃料使用。2020年7月，這臺制氧機隨美國的毅力號火星車前往火星，2021年2月19日抵達火星開始測試。從一開始，這臺制氧機就被設計為可以擴展到現(xiàn)有規(guī)模的100倍大小，如果試驗取得成功，可以制造一個人一生都用不盡的氧氣。

第四是建造住所。剛登陸火星時，我們可以住在密封的充氣庇護所，或是登陸艙中。由于火星大氣層很稀薄，強烈的紫外線會損害人的健康，宇宙射線甚至會改變我們的DNA。因此，躲進地下，建設地下城市可能是一個明智的選擇。

第五是解決服裝問題?；鹦巧峡諝庀”?，因此晝夜溫差極大。白天，最熱的地方溫度超過21℃，夜間氣溫下降到-70～-80℃。全球性的沙塵暴時有發(fā)生，甚至會持續(xù)數(shù)月。因此，需要制造特殊的火星服，不僅要求足夠堅固，能讓人適應火星的低氣壓，還要讓我們的身體保持正常的溫度。麻省理工學院的科學家研制了一種光滑緊身的火星服，可以滿足身體保暖和火星生存的需要。在現(xiàn)有空間站宇航服的基礎上改進而成的兩款火星服也可以滿足這些需求。

水、氧氣、食物、住所、服裝，似乎在火星生存的一切條件已經(jīng)滿足了，移民火星指日可待。不過，真正移民火星遠遠要比這困難得多，也復雜得多，還要做好更多的準備。地球到火星的旅途長達數(shù)月，空間狹小，物資匱乏。要從地球上我們已經(jīng)適應的重力環(huán)境，到發(fā)射時的超重，飛行途中的失重，到進入火星大氣層時再次超重，再到登陸火星后僅有1/3于地球重力值的火星重力，人的生理狀態(tài)會發(fā)生顯著的變化。幾年之后，你應該還會回到地球，就需要再經(jīng)受一遍相反的重力體驗。這種過山車式的重力變化，不是柔弱的人體可以承受的。登陸之后，面對無盡的荒涼和難以忍受的孤獨，對人的心理狀態(tài)，也是一個巨大的考驗。因此，要實現(xiàn)火星生存，前路仍然漫漫。但每一點突破，都在積累人類走向太空的能力。