“天問一號”啟火星之旅

馬小可

2020年7月23日，“天問一號”火星探測器在中國海南文昌航天發(fā)射場由長征五號運載火箭發(fā)射升空，并于2021年2月10日成功踏入環(huán)火軌道，目前還在軌道上繞行，預(yù)計繞行時間將在3個月左右，需找到合適的機會才能成功著陸火星。在完成著陸任務(wù)的前夕， “天問一號”還會進行一系列的軌道調(diào)整，為下一步的著陸做好準(zhǔn)備。

只有一次機會的著陸

“天問一號”由環(huán)繞器、著陸器和巡視器組成，總質(zhì)量達到5噸左右。要想成功完成著陸，面對的挑戰(zhàn)也非常大?；鹦怯兄愃频厍虻乃募窘惶?，在火星上的一天幾乎與地球上的一樣長，火星與地球的諸多相似點吸引人類不斷發(fā)射探測器去了解火星。人類探測火星起步于20世紀(jì)60年代，2020年之前共實施了44次火星探測任務(wù)，只有8次成功著陸，成功率僅為18%，因此火星也被譽為“太陽系中的珠穆朗瑪峰”。

由于地球與火星的距離相當(dāng)遠，從火星傳信息到地球地面控制站有很大的時延，所以無法實現(xiàn)實時控制。在失去地面監(jiān)控的情況下，“天問一號”只能依靠自身的傳感器和預(yù)設(shè)程序完成進入、減速、軟著陸這一系列動作，而且這個機會只有一次。除了抓住轉(zhuǎn)瞬即逝的機會外，“天問一號”還面臨一個很大的難題，那就是進入火星大氣層后的減速問題。“天問一號”必須在短短的7分鐘內(nèi)將很高的速度降下來，而火星上的大氣密度僅為地球的1/100，要想短時間內(nèi)完成減速動作極不容易。所以，在降落過程中必須用到大氣減速、氣動減速、降落傘減速與反推發(fā)動機減速四種方式，最后依靠著陸腿軟著陸到火星表面。因此，這7分鐘也被稱為“恐怖7分鐘”。

走完這艱難的7分鐘，完成軟著陸后，“天問一號”還需要把火星車釋放到火星表面上，讓它走起來并開展探測，才算真正完成了“繞、落、巡”三步任務(wù)。另外，選擇的落地點不夠平坦，或者著陸的姿勢不夠正，火星車便不好開下去，這也有可能成為一道不小的坎兒。

人類情有獨鐘的星球

在人類對太陽系的探索歷史上，火星總是給人無限期待與遐想。其實，人類對火星情有獨鐘已有數(shù)千年。自從天文學(xué)家把目光轉(zhuǎn)向夜空中這顆發(fā)亮的行星開始，人類就一直在想象火星上是否存在著生命。這個看似簡單的問題，卻在幾千年來一直深深地抓住了科學(xué)家和天文迷的好奇心。隨著飛行器、登陸器對火星過去和現(xiàn)在疑似存在的生命過程進行的探測、測試越來越復(fù)雜，包括測試火星土壤以尋找水的痕跡以及二氧化碳、甲烷和氧等氣體的釋放（這可能暗示細菌生命），科學(xué)家對這個問題依然沒有確定答案。已經(jīng)有足夠證據(jù)表明，幾十億年前的火星環(huán)境能支持微生物生存。從地球上看去，火星上的地貌特征哪怕使用最好的望遠鏡也很難分辨?；鹦巧嫌邪瞪兔髁羺^(qū)域，以及極地冰蓋，但只有環(huán)繞火星的軌道器才能提供火星地貌的清晰圖像。因此，早期天文學(xué)家對火星觀測結(jié)果進行錯誤解讀或添油加醋就情有可原。對于那時巡天的科學(xué)家來說，他們眼中的火星與今天人們對火星的認識大相徑庭。

1877年，意大利天文學(xué)家喬凡尼-斯基亞帕雷利成為第一個為火星繪制地圖的人。他畫的火星地圖上顯示了一個運河體系。1910年，美國天文學(xué)家帕西瓦爾-洛威爾對火星進行了一系列觀測，并且寫了一本書。在此書中，洛威爾把火星描述成一顆瀕死的行星，那里的文明建造了一個巨大的運河網(wǎng)，把水從火星極地輸送到河岸上的各個植物園。

盡管洛威爾的書引發(fā)了公眾的想象力，可當(dāng)時的科學(xué)界卻立即摒棄了他的說法，這是因為他的觀測結(jié)果并未被證實。然而，洛威爾的著作激發(fā)了一代又一代科幻作家的創(chuàng)作熱情，好萊塢也拍攝了大量火星題材的電影來火上澆油。

在火星上看藍色日落

與一直被云霧籠罩的地球近鄰金星不同，紅色的火星總是吸引人去猜測和探索?；鹦堑牧硪粋€名字是“紅色行星”。當(dāng)火星又亮又靠近地球時，在夜空中，它看上去就像是一顆亮紅色的星。在羅馬神話中，火星的發(fā)音“馬爾斯”是指戰(zhàn)爭之神，這讓人聯(lián)想到血。甚至就連在飛船上拍攝的照片中，火星也是鐵銹紅色的。這種色彩來自一個事實：火星表面的確呈現(xiàn)鐵銹色，因為火星表面富含氧化鐵。把鐵放在雨中，它就會被鐵銹覆蓋，原因是空氣中的氧和水與金屬中的鐵反應(yīng)，生成了一層氧化鐵的膜。

火星的氧化鐵一定是形成于很久以前，當(dāng)時的火星有很多的液態(tài)水。這種鐵銹色材料在塵埃云中被輸送到火星全球，最終覆蓋全球。事實上，今天火星上的沙塵暴可席卷全球，塵埃也因此會到全球。但如果近看火星表面，你會發(fā)現(xiàn)火星土壤真是色彩紛呈：一些地區(qū)看起來是明亮的紅色，另一些看起來卻是灰色甚至黑色。但把這些顏色平均起來，火星就是人們所熟悉的紅色。

如果你向下挖掘，就會發(fā)掘到火星表面氧化層下面的巖石和塵土。如果你能站在火星表面望四周，會看到火星天空是什么顏色呢？幸運的是，美國國家航空航天局的“好奇號”火星車搭有一部全色彩相機，它看見了差不多是人眼看見的景象：火星的天空也是紅色的。地球天空的藍色是因為瑞利散射一一藍光被地球大氣層散射，因此藍光看起來似乎來自所有方向。而在火星上，情況正好相反。火星大氣中的塵埃散射紅光，使得天空呈現(xiàn)紅色。但這里還有一個奇異部分，在火星上的落日看起來是藍色的。之所以是藍色，因為火星塵埃吸收紅光并使之偏轉(zhuǎn)，所以看起來更多藍光從太陽方向流過來。如果能在火星表面親眼看見火星上的落日，那肯定會是一大奇觀。希望未來可以有人一飽這樣的眼福。

2021年2月19日凌晨4點55分，“毅力號”在火星杰澤羅隕石坑內(nèi)以壯觀的“空中起重機”方式安全著陸。3月4日， “毅力號”完成首次火星行駛，留下專屬印跡。接下來的幾個月，我國的“天問一號”也要登陸火星。

2021年的短短幾個月內(nèi)，兩個探測器接連抵達火星，這在對同一個天體的探測方面堪稱十分罕見。那么，為什么火星會得到如此禮遇？火星是距離太陽第四近的行星，火星與太陽的平均距離為2.28億千米，火星赤道直徑為6790千米?，F(xiàn)在的火星寒冷、多塵埃而且干燥，但以往的火星很可能并非總這樣。大量數(shù)據(jù)顯示，在過去某個時期，火星表面也像地球一樣液態(tài)水洶涌，其形式包括湖泊、河流甚至海洋?；鹦谴髿鈱又斜惶綔y到存在微量甲烷，其來源未知。在地球上，大多數(shù)甲烷是由生物制造的，這似乎預(yù)示著火星上也可能曾經(jīng)存在過生物。

至今沒有人去過火星，因此有關(guān)火星在46億年前起源的最好信息來自由軌道器和登陸器拍攝的火星圖像、火星隕石，以及與水星、金星、地球和月球的數(shù)據(jù)對比?，F(xiàn)有的火星成因理論是：火星形成于早期太陽系中小天體的凝集或吸積;然而，與地球和金星不同，火星形成過程在開始后的400萬年內(nèi)就結(jié)束了，因此火星沒有超越行星胚胎階段;可能的情況是，鋁-26衰變把火星轉(zhuǎn)變成了一個巖漿海洋;火星冷卻后，經(jīng)歷了一段時期的隕星密集轟炸;熾熱的火星地幔上涌，導(dǎo)致部分地殼上翹;一個或多個的火山強烈活動期，以及接踵而至的熔巖流;火星最終冷卻，大氣層變得稀薄。

火星是通過早期太陽系小天體的吸積形成的，這一過程歷時200萬- 400萬年?；鹦巧L并發(fā)展出了一個較大的引力場，它吸引了更多天體。這些天體墜向火星，撞擊生熱。一些模型暗示，如此加熱并不足以引起火星上大規(guī)模的熔化。一種可能性是，因為火星的形成過程短暫，它可能吞噬了足夠多的鋁-26核素（其半衰期只有71.7萬年），因而從放射性衰變中熔化。這些熔化的材料逐漸分類，形成核、幔和殼。冷卻過程中釋放的氣體，形成火星上的原始大氣層。

但是，隨著胚胎行星在太陽系的混沌早期形成，火星沒能松口氣。它被太陽系的隕星猛烈轟炸，形成遍布火星表面的隕擊坑和多環(huán)盆地，例如位于火星南半球、直徑達2800千米的赫拉斯盆地（實際上是一個巨型隕擊坑）。一些地質(zhì)學(xué)家認為，一次巨型碰撞導(dǎo)致了火星北半球的地殼變薄。類似的碰撞也發(fā)生在了當(dāng)時的地球和月球上。在地球上，這些隕擊坑被風(fēng)和水侵蝕而逐漸消失。但在月球上，這些大碰撞的證據(jù)至今可見。

至于火星上的大氣，它可能被太陽風(fēng)強勁襲擊過。地球的磁場保護我們免遭太陽風(fēng)蹂躪，但火星磁場在大約40億年前關(guān)閉，很可能是因為一系列大質(zhì)量小行星的撞擊消滅了驅(qū)動行星發(fā)電機的溫度梯度。不過，上述有關(guān)火星起源的理論尚需更多數(shù)據(jù)來支撐。

（責(zé)任編輯：曹偉）

知識鏈接：

恐怖7分鐘

實現(xiàn)探測器在火星表面安全降落遠比從地球飛至火星軌道要困難得多，其降落過程被形容為“恐怖7分鐘”。 般而言，火星探測任務(wù)都會采取“繞、著、巡”分開的形式以降低難度。因為進行火星任務(wù)的難度太高，登陸火星成功率非常低，在降落剛開始，通過整體和隔熱大底氣動減速約5分鐘，著陸器速度從約5千米/秒減速到數(shù)百米/秒，已到極限，隔熱大底的溫度已升到2000℃。

此時，巨大降落傘展開，在不到100秒的時間內(nèi)把速度進步降低到約100米/秒。如果降落傘失敗，那將是全盤的失敗。接下來會進入動力減速段，也就是利用反推發(fā)動機提供的反向推力來減速，最終將速度降低到3.6米/秒。

最后是懸停避障階段，在距離火星表面大約100米的位置實現(xiàn)懸空，對地形進行探測，選擇合適的地點進行降落，完成整個著陸過程，準(zhǔn)備展開地面探索。人類探測火星60年，勝率不到半，這是個高風(fēng)險，卻代表著人類最美麗、最絢爛航天夢想的存在。未來，“天問號”面對的也必將是極大的挑戰(zhàn)。