“祝融”探火第一步，中國(guó)航天一大步

王煜

3月26日，國(guó)家航天局發(fā)布2幅由我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器拍攝的南、北半球火星側(cè)身影像。

“天問(wèn)一號(hào)”成功“落火”，“黑色七分鐘”落火過(guò)程示意圖。

中國(guó)印跡，登上火星！北京時(shí)間2021年5月15日7時(shí)18分，我國(guó)首部火星車(chē)“祝融號(hào)”在火星烏托邦平原著陸，這讓中國(guó)成為第二個(gè)在火星成功軟著陸的國(guó)家。中國(guó)航天實(shí)現(xiàn)了從地月系到行星際的歷史性跨越，中華民族的問(wèn)天之旅就此展開(kāi)新的篇章。

巡視火星，避開(kāi)沙塵暴

火星上首次有了中國(guó)人的印跡，要做到這點(diǎn)其實(shí)非常困難。要知道火星素有“探測(cè)器墳場(chǎng)”之稱(chēng)，之前各國(guó)發(fā)射的火星探測(cè)器有一半左右都登陸失敗。“祝融號(hào)”進(jìn)入火星大氣層到著陸之前的這段時(shí)間，要面臨摩擦高溫、復(fù)雜地形、平穩(wěn)制動(dòng)等多重嚴(yán)酷的考驗(yàn)。而由于距地球太遠(yuǎn)，通信至少有十幾分鐘的延時(shí)，這個(gè)過(guò)程不可能靠遠(yuǎn)程控制，只能由探測(cè)器自主進(jìn)行，地球上的人們能做的只有等待。

在《新民周刊》此前的報(bào)道中，專(zhuān)家都把這段時(shí)間稱(chēng)為“恐怖7分鐘”，而在著陸火星的過(guò)程中，“祝融號(hào)”實(shí)際經(jīng)歷的是“恐怖9分鐘”。為何時(shí)間變長(zhǎng)了？原來(lái)，7分鐘的時(shí)間是按探測(cè)器進(jìn)入火星軌道后直接著陸的情況計(jì)算的，那時(shí)的初速度更大，所需時(shí)間更短。天問(wèn)一號(hào)是先“剎車(chē)入軌”再擇機(jī)分離著陸，已經(jīng)減速，進(jìn)入火星大氣層時(shí)的初速度比較低，自然花的時(shí)間就更長(zhǎng)。

無(wú)論多久多難，“祝融號(hào)”都扛住了！

啟程以來(lái)近10個(gè)月，天問(wèn)一號(hào)對(duì)火星探測(cè)三大任務(wù)的“繞”“落”都已成功完成，接下來(lái)就是“巡”了，也就是“祝融號(hào)”離開(kāi)著陸器的導(dǎo)軌，在火星表面開(kāi)動(dòng)起來(lái)，進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。不過(guò)，它并不能一著陸就馬上做到這些，還得先充充電。

“祝融號(hào)”依靠太陽(yáng)能電池帆板產(chǎn)生的電能工作?；鹦蔷嚯x太陽(yáng)更遠(yuǎn)，那里的太陽(yáng)能密度僅為地球附近的4成左右，“祝融號(hào)”攜帶的四片巨大的“蝴蝶形”太陽(yáng)能電池帆板，能確保充足能量供應(yīng)，所需要的就是一些準(zhǔn)備時(shí)間，來(lái)保證中國(guó)在火星上印出第一道車(chē)轍時(shí)，足夠穩(wěn)定。

“祝融號(hào)”開(kāi)啟巡視探測(cè)之旅時(shí)，還要小心火星上不時(shí)刮起的沙塵暴。資深航天專(zhuān)家、上海航天技術(shù)研究院研究員陶建中告訴《新民周刊》記者：火星上的空氣雖然比地球稀薄，但風(fēng)速很快;沙塵暴來(lái)襲時(shí)，會(huì)顯著影響“祝融號(hào)”的太陽(yáng)能收集效率甚至全車(chē)的壽命。為了應(yīng)對(duì)這樣的情況，“祝融號(hào)”表面的涂層已經(jīng)賦予了它一定的防沙塵能力，但還無(wú)法扛過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、全球性的強(qiáng)力沙塵暴。

好在，中國(guó)航天人已經(jīng)選好了時(shí)機(jī)。歷史數(shù)據(jù)顯示：“祝融號(hào)”著陸的火星北半球，在當(dāng)?shù)卮合钠陂g沙塵暴最為低發(fā);特別是從春分到夏至這段時(shí)間的中間點(diǎn)開(kāi)始，一直到再往后的幾個(gè)月里，人類(lèi)從未觀測(cè)到沙塵暴的發(fā)生。

當(dāng)前，火星北半球的春分在2021年2月7日，夏至在2021年8月25日，春分到夏至的中間時(shí)間點(diǎn)，正是5月中下旬，也即“祝融號(hào)”著陸的日子。之后的幾個(gè)月里，它遇上沙塵暴的幾率是比較小的。

在火星上行駛時(shí)，復(fù)雜的地形也是“祝融號(hào)”要克服的一大困難。“‘祝融號(hào)著陸的火星烏托邦平原整體地形比較平坦，不過(guò)零碎的亂石比較多。不要小看這些碎石頭，它們的破壞力也是很強(qiáng)的?！碧战ㄖ姓f(shuō)。人們從照片上可以看到，目前正在火星上執(zhí)行任務(wù)的美國(guó)“好奇號(hào)”火星車(chē)的車(chē)輪，就被石頭弄出了好幾個(gè)明顯的破洞，如果繼續(xù)遭到破壞，它的探測(cè)有很大的風(fēng)險(xiǎn)將被迫提前結(jié)束。同樣來(lái)自美國(guó)的“勇氣號(hào)”火星車(chē)在2009年時(shí)陷入沙坑，車(chē)輪出現(xiàn)故障無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，一直到探測(cè)任務(wù)結(jié)束，它也沒(méi)能走出來(lái)。

有鑒于此，“祝融號(hào)”雖然叫“火星車(chē)”，但并不會(huì)如同地球上的汽車(chē)一樣在火星上疾速奔馳;它的行進(jìn)速度只有每秒幾厘米，就是為了穩(wěn)妥，不要在當(dāng)?shù)匕l(fā)生碰撞等“交通事故”。遇到障礙時(shí)，“祝融號(hào)”的機(jī)身可以升降，六個(gè)車(chē)輪均獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，多輪懸空的條件下依然能自由移動(dòng)。在極端地形中，它還能實(shí)現(xiàn)“蠕動(dòng)”“蟹行”和“踮腳”等復(fù)雜機(jī)械操作。

“道路千萬(wàn)條，安全第一條”，這個(gè)原則無(wú)論在地球還是火星都適用。

5月15日，航天科研人員在北京航天飛行控制中心監(jiān)測(cè)“祝融號(hào)”火星車(chē)工作情況，研究傳回的火星地面高清圖片。

5月15日，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)工程總設(shè)計(jì)師張榮橋介紹著陸巡視器有關(guān)情況。

日程滿滿，能否“加班”？

在火星上邁出第一步后，“祝融號(hào)”就要開(kāi)始執(zhí)行科學(xué)探測(cè)任務(wù)。通過(guò)攜帶的各種照相機(jī)拍照，是“祝融號(hào)”最核心的科學(xué)研究目標(biāo)之一。例如，導(dǎo)航地形相機(jī)可拍攝火星高清廣角大圖;多光譜相機(jī)可以詳細(xì)分析地形、地貌和地質(zhì)的具體情況，它獲取的巖石土壤光譜數(shù)據(jù)能幫助科學(xué)家研究火星表面演化的歷史和未來(lái)。

陶建中介紹：“祝融號(hào)”上的表面成分探測(cè)儀中包含微成像相機(jī)，能將砂石圖像放大到微米級(jí);激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀能在數(shù)米外用激光把巖石成分燒蝕成等離子體，利用有“遠(yuǎn)程顯微鏡”之稱(chēng)的短波紅外光譜顯微成像儀開(kāi)展分析。

“祝融號(hào)”還攜帶了兩個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，負(fù)責(zé)探測(cè)火星表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度。它的探測(cè)結(jié)果既能讓科學(xué)家獲取火星殼層剩磁的信息，也能與天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器攜帶的磁強(qiáng)計(jì)探測(cè)結(jié)果結(jié)合，幫助科學(xué)家了解太陽(yáng)風(fēng)與火星高層大氣、電離層的相互作用。它們也是首個(gè)火星表面可移動(dòng)的磁場(chǎng)探測(cè)儀器。

同時(shí)，氣象探測(cè)儀不僅為“祝融號(hào)”自身服務(wù);還能通過(guò)長(zhǎng)期記錄火星的氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，豐富全人類(lèi)的火星氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，與已經(jīng)在當(dāng)?shù)氐钠渌綔y(cè)器一起，成為“火星氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”的一員。

“祝融號(hào)”計(jì)劃要巡視探測(cè)大約90個(gè)火星日。既然在火星上走一遭這么不容易，為什么不讓它工作更長(zhǎng)時(shí)間呢？這就涉及天問(wèn)一號(hào)此次探測(cè)的各項(xiàng)任務(wù)分配。

陶建中向《新民周刊》記者介紹：“祝融號(hào)”在火星表面完成各項(xiàng)探測(cè)后，數(shù)據(jù)需要傳輸回地球;但它本身的能力無(wú)法獨(dú)立與地球通信，需要借助在它上空運(yùn)行的天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器作為與地球之間的通信中繼站。由于距離上億公里，兩個(gè)星球之間的數(shù)據(jù)傳輸速率是非常有限的，在“祝融號(hào)”巡視的這段時(shí)間里，天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器的數(shù)據(jù)傳輸信道就專(zhuān)門(mén)為之做中介服務(wù)。

在此之后，它就要傳輸自身探測(cè)獲取的數(shù)據(jù)了。因?yàn)榄h(huán)繞器本身也是個(gè)綜合探測(cè)平臺(tái)，攜帶了7項(xiàng)儀器。環(huán)繞器飛行的橢圓軌道距離火星最近200多公里、最遠(yuǎn)12000多公里，這些儀器能在多種軌道高度對(duì)火星進(jìn)行整體性、全球性、綜合性的研究?；鹦谴髿獾碾婋x層是什么狀態(tài)？周邊太陽(yáng)風(fēng)等行星際環(huán)境如何？火星表面和地下的水冰在哪里？火星的土壤類(lèi)型怎么樣、如何分布？表面礦物和物質(zhì)成分情況如何？……這些問(wèn)題，都有可能通過(guò)環(huán)繞器上儀器獲得的數(shù)據(jù)得到解答。

環(huán)繞器計(jì)劃在軌對(duì)火星全球展開(kāi)持續(xù)1個(gè)火星年（約2個(gè)地球年）的遙感探測(cè)。從時(shí)長(zhǎng)占比來(lái)看，環(huán)繞器的探測(cè)任務(wù)顯然更重一些。

當(dāng)然，在90火星日的任務(wù)完成后，即使休眠一段時(shí)間，“祝融號(hào)”很可能依然有繼續(xù)探測(cè)的能力。中國(guó)航天探測(cè)器已經(jīng)有“超額服役”的先例：當(dāng)年“嫦娥二號(hào)”完成既定的探月任務(wù)后，又在日地拉格朗日L2點(diǎn)執(zhí)行了一個(gè)完整周期的飛行探測(cè)，并在2012年12月13日與“圖塔蒂斯”小行星“擦肩而過(guò)”，最近交會(huì)距離不到1公里，首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)對(duì)小行星的飛掠探測(cè)。它也因此成為我國(guó)第一個(gè)行星際探測(cè)器，可以算作“天問(wèn)一號(hào)”的前輩。而后，“嫦娥二號(hào)”繼續(xù)飛至1億公里以外，是當(dāng)前我國(guó)飛得最遠(yuǎn)的航天器。

那么，“祝融號(hào)”是不是也能向它的“勞模前輩”學(xué)習(xí)，“加個(gè)班”？陶建中說(shuō)：從理論上來(lái)說(shuō)完全有這個(gè)可能，那就取決于到時(shí)科學(xué)家們的決策，是不是讓天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器勻出一些通信資源來(lái)傳輸這部分額外的數(shù)據(jù)了。

深空奧秘，無(wú)盡探索

中國(guó)成功在火星上軟著陸并即將開(kāi)始巡視探測(cè)，人們很自然地暢想下一步：人類(lèi)何時(shí)可以像登月一樣登上火星？實(shí)際上，讓人類(lèi)踏上這顆紅色星球，不僅是普通公眾的興趣，更是航天人持久的夢(mèng)想。

這一輪“三國(guó)探火”中比“祝融號(hào)”更早登陸火星的美國(guó)“毅力號(hào)”火星車(chē)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了讓直升機(jī)首次在地外大氣中飛行;同時(shí)首次以火星大氣中的二氧化碳為原料，通過(guò)高溫電解的方式生成一氧化碳和氧氣，這就是在為將來(lái)創(chuàng)造航天員登火的條件做先行試驗(yàn)。

人類(lèi)正在一步步地努力，但短時(shí)間內(nèi)還是“理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感”。無(wú)人探測(cè)器可以踏上去往火星的單向旅程;但人類(lèi)不行，必須要去得了還要回得來(lái)。然而哪怕只是火星探測(cè)器，目前科學(xué)家也還在為讓它“取樣返回”而艱苦攻關(guān)。

探測(cè)器可以用自身搭載的儀器在火星當(dāng)?shù)赝瓿梢徊糠謾z測(cè)分析，并把數(shù)據(jù)傳回;但是更多的分析，例如同位素檢測(cè)，還必須將材料帶回地球才能開(kāi)展，這是取樣返回的意義所在。

對(duì)家的眷戀是中國(guó)人亙古不變的情結(jié)和力量源泉，當(dāng)我們?cè)谔沼辛恕凹摇?，接下?lái)又會(huì)有多少令人激動(dòng)的精彩，正紛至沓來(lái)！

要從火星返回地球，難度增加絕不只是“路程翻倍”這么簡(jiǎn)單。從地球出發(fā)時(shí)探測(cè)器是“主場(chǎng)作戰(zhàn)”，有各種保障;但在遙遠(yuǎn)的火星，一切都得靠它自己了。

例如，火星上可沒(méi)有現(xiàn)成的大推力火箭幫助探測(cè)器進(jìn)入太空，這意味著從地球出發(fā)時(shí)，探測(cè)器就要帶上更多的燃料，自重增加，發(fā)射難度進(jìn)一步提升。同時(shí)，地球上的導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)從火星啟航的探測(cè)器也鞭長(zhǎng)莫及，后者必須以太空中的物體為參照物來(lái)自行導(dǎo)航、自主返回。

在天問(wèn)一號(hào)之后，中國(guó)探測(cè)火星的下一步計(jì)劃就是挑戰(zhàn)采樣返回。2020年，嫦娥五號(hào)成功取回月壤，為上述目標(biāo)做了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)驗(yàn)證和儲(chǔ)備。預(yù)計(jì)在2030年前后，中國(guó)將實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的取樣返回，這意味著中國(guó)在火星探測(cè)領(lǐng)域雖然是“后來(lái)者”，但進(jìn)度迅猛扎實(shí)，已進(jìn)入第一梯隊(duì)。

滿足來(lái)去的動(dòng)力、導(dǎo)航條件后，載人太空航行要解決的最大問(wèn)題是人本身的問(wèn)題。往返一趟火星要花上十幾個(gè)月的時(shí)間，路途中對(duì)航天員生命機(jī)能、心理狀態(tài)的維持，依然存在許多需要攻破的難題。

至于更進(jìn)一步的“移民火星”，目前更多停留在人們天馬行空的科學(xué)幻想里?！白Ｈ谔?hào)”登陸火星后，天問(wèn)一號(hào)總設(shè)計(jì)師張榮橋在接受采訪時(shí)就表示：火星的空氣、溫度等環(huán)境跟地球相差還是很遠(yuǎn)，人類(lèi)生存最基本的條件難以保證?！叭绻覀冇懈脑旎鹦堑哪芰?，那我們是不是可以花點(diǎn)時(shí)間精力把我們的地球打理得更好？”

以最樂(lè)觀的情況預(yù)測(cè)，不少航天專(zhuān)家的共識(shí)是：人類(lèi)首次登上火星的日子，應(yīng)該還需要大約30年。

火星因?yàn)樽钣锌赡艽嬖凇暗赝馍倍蔀槿祟?lèi)行星際探測(cè)的首選目標(biāo)，在它之外，木星、土星的一些衛(wèi)星也引起了科學(xué)家的興趣。比如，木衛(wèi)二擁有稀薄的大氣層，表面覆蓋著厚厚的水冰，地下深藏著大量液態(tài)水，有些地下水還會(huì)溢出到表面;土衛(wèi)六是土星的最大衛(wèi)星，擁有稠密的大氣，表面還有眾多河流和湖泊。兩者都有存在生命的可能，等待人們?nèi)ヌ剿?。為了保護(hù)地球和人類(lèi)的安全，對(duì)小行星的探測(cè)也是各國(guó)深空探測(cè)的熱點(diǎn)。

上述這些，都已納入中國(guó)“天問(wèn)”系列的目標(biāo)中。2030年前后，人們有望看到中國(guó)深空探測(cè)在火星取樣返回、小行星探測(cè)、木星系探測(cè)這三個(gè)領(lǐng)域同時(shí)發(fā)力的盛況。

航天各個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展常常緊密聯(lián)系、互相促進(jìn)。從時(shí)間范圍上把目光拉近一些，就在接下來(lái)的一個(gè)月內(nèi)，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船、神舟十二號(hào)載人飛船將先后升空與天和核心艙對(duì)接，中國(guó)空間站的建設(shè)將穩(wěn)步推進(jìn)。對(duì)家的眷戀是中國(guó)人亙古不變的情結(jié)和力量源泉，當(dāng)我們?cè)谔沼辛恕凹摇?，接下?lái)又會(huì)有多少令人激動(dòng)的精彩，正紛至沓來(lái)！