天問·火星

段景頤

經(jīng)“祝融號”火星車（由“天問一號”搭載）發(fā)回的遙測信號確認，“天問一號”火星探測器的著陸巡視器于2021年5月15日7時18分，成功著陸于火星烏托邦平原南部。當時，遠在3.2億千米外的北京航天飛行控制中心的指揮大廳頓時掌聲雷動，大廳中的一名女調度員激動之余仍不忘自己的工作，有條不紊地播報著：“根據(jù)遙測判斷，著陸巡視器轉入無控模式?！?/p>

“天問一號”的著陸器成功著陸火星，是中國航天史上的里程碑事件。中國航天在行星探測領域后發(fā)先至，成功掌握探測器環(huán)繞及安全著陸火星的技術。迄今，全世界只有中國與美國兩國掌握該項技術;不僅如此，全世界能在一次任務中完成環(huán)繞火星和探測器火星著陸這兩步的只有中國！

“天問一號”火星探測器成功發(fā)射

自主發(fā)射

“天問一號”并非是我國首次發(fā)射的火星探測器。2011年，代號為“螢火一號”的中國第一艘火星探測器由俄羅斯“天頂2SB”火箭搭載升空，但由于變軌失敗，火箭沒能順利離開近地軌道，最終墜毀于太平洋中。

中國航天人沒有就此氣餒。2020年7月23日，搭載著“天問一號”火星探測器的“長征五號”火箭，從文昌航天發(fā)射場徐徐升空后成功脫離地球軌道，飛向火星。“天問一號”探測器總重約5噸。由環(huán)繞器和著陸巡視器（簡稱著陸器）組成，著陸器主要包括進入艙和火星車?！袄@、著、巡”是“天問一號”的三大任務，即火星環(huán)繞、火星著陸和火面（火星表面）巡視。

如果把太陽系中行星圍繞太陽的運行軌道想象成環(huán)形跑道，那么地球就在由內向外的第三“跑道”上運行，火星則位于更外層的第四“跑道”?；鹦堑墓D周期比地球長，達1.88地球年。因此，火星和地球的直線距離會在5500萬～4億手米之間變化，而火星探測器要走最短路徑到達火星，就只有抓住每780天才會出現(xiàn)一次的地火會合期（持續(xù)約1個月），此時發(fā)射探測器能夠大大減少燃料消耗，并縮短飛行總時間。這種在兩個軌道間快速遷移的方法，也被稱為“霍夫曼轉移軌道法”。

“剎車”進入火星軌道0.3%的偏差也不能放過

“天問一號”探測器經(jīng)過296天的飛行，經(jīng)過4次中途修正和1次深空機動修正飛行路徑，于2021年2月10日進入環(huán)火星軌道。接下來，“天問一號”減速，從而被火星捕獲，開始環(huán)繞火星。“剎車”能否成功，直接決定了，“天問一號”所執(zhí)行任務的成?。骸皠x車”踩早了，探測器會一頭墜向火星并墜毀：“剎車”踩晚了，探測器會飛離火星，無法被火星捕獲。

留給“天問一號”的時間只有30分鐘，一旦錯過，下一次機會要等到兩年后才會出現(xiàn)。最適合“剎車”的時機出現(xiàn)后，“天問一號”的3000牛軌控發(fā)動機快速點火啟動，并在額定點長時間連續(xù)穩(wěn)定工作，成功完成了讓探測器被火星捕獲的任務。

“天問一號”火星探測器成功發(fā)射

3000牛軌控發(fā)動機是“天問一號”成功“剎車”的重要保障之一，為了保證它的可靠性，中國航天人在研制它的過程中沒有放過任何偏差。在一次仿真試驗中，探測器的捕獲制動精度沒有達標，這引起研制團隊的高度重視。經(jīng)過多番排查，他們找到了原因。原來，在主發(fā)動機推力減弱前，為了便于主發(fā)動機工作，燃料會集中到貯箱底部，這個過程名為“沉底”?！皠x車”前的沉底時間過長，對捕獲控制的速度增量產生了約0.3%的影響。發(fā)現(xiàn)問題根源后，研究團隊迅速調整了方案，顯著提高了“剎車”精度。該團隊在四年間不斷對方案進行的優(yōu)化與完善，最終確保了這次關鍵“剎車”的精確完成。

不著急著陸

完成被火星捕獲的“天問一號”并沒有立即著陸，而是開始環(huán)火星飛行，這一飛就是3個月。為什么“天問一號”進入火星軌道后不馬上著陸？這是因為“天問一號”是我國首次抵達火星的探測器，我國航天人對火星地面情況還不熟悉，貿然著陸風險巨大?！疤靻栆惶枴杯h(huán)繞火星飛行，就是為了挑選合適的著陸地點。同時，火星大氣情況變數(shù)大，故而“天問一號”在著陸前還要監(jiān)測火星的大氣情況。

經(jīng)過充分勘測和討論，“天問一號”的著陸地點被定在火星的烏托邦平原。該平原的中心為洼地，最低處低于火星基準高度7千米。地質學家認為，烏托邦平原可能是火星古代海洋和陸地的交界地帶，因此，在這里進行著陸和勘測，更可能幫助科學家揭開火星的地質歷史。

著陸：黑色9分鐘

2021年5月15日，“天問一號”著陸器準備降落。以當時火星和地球的直線距離計算，若采用地面飛控團隊發(fā)送信號、著陸器接收和傳回信號的控制方式，整個過程需要40多分鐘。這顯然是不行的！因此，從進入火星大氣到著陸火星表面的整個過程需要全部由著陸器自主完成，位于北京的飛控團隊無法提供幫助。整個降落過程耗時9分鐘，如果在此過程中有任何一步?jīng)]有順利完成，都會影響接下來的一系列步驟，因此這也被稱為“黑色9分鐘”。

環(huán)繞器與著陸器分離

在此之前，探測器著陸火星的成功率不到50%。1999年，美國“火星極地登陸者號”由于設計缺陷，在距離火星地面40米的高處失控，最終墜毀。2016年，歐盟和俄羅斯合作的“斯普亞帕雷利號”著陸器在著陸火星前50秒失聯(lián)，并在降落過程中墜毀。

火星探測器如何與地球通信

“天問一號”的一舉一動牽動著北京航天飛行控制中心所有人的心?！疤靻栆惶枴敝懫餍枰?jīng)歷四個階段的“剎車”才能將速度降至0米/秒。為了盡可能節(jié)約燃料，它會先采取氣動減速和降落傘減速策略。凌晨4時許，“天問一號”著陸器與環(huán)繞器分離，著陸器以14倍音速的高速墜入火星大氣層，環(huán)繞器則再次爬升并進入環(huán)火星軌道。著陸器周圍的多個氣動噴嘴多次噴射氣體，調整著陸器的姿態(tài)。隨著配平翼展開，著陸器的速度下降到3倍音速，這是“天問一號”進入火星大氣后的第一次“剎車”。接著，降落傘張開，著陸器的速度下降到2倍音速，完成隔熱使命的隔熱大底脫離，著陸腿立刻展開，測距、測速敏感器開始監(jiān)控高度和速度信息。在距離火星地表還有1.1千米處時，著陸器與降落傘分離，速度降至95米/秒，第二次“剎車”順利完成。

第三次“剎車”的工作被交給7500?？勺兺屏χ靼l(fā)動機。經(jīng)過80秒的發(fā)動機制動，著陸器的速度降至3.6米/秒。著陸器在距離火星地面100米的高處懸停，并開始掃描火星地表，尋找適合著陸的平坦地面。不久后，著陸器找到了合適的降落地點，主發(fā)動機開始減小推力。著陸器緩緩下降。著陸腿完成了最后一次減速，著陸器穩(wěn)穩(wěn)降落在烏托邦平原。中國科學院院士葉培建興奮地說：“這是一次教科書式的著陸，落得非常漂亮?！?p>

準備離開著陸平臺的“祝融號”火星車

“祝融號”開動

經(jīng)過7天的準備工作，5月22日10時40分，“祝融號”火星車駛離著陸平臺，開始為期90個火星日的巡視探測?！白Ｈ谔枴笨傎|量為240千克，最高巡航速度為40米/時，即每秒鐘移動1.1厘米。為什么“祝融號”的移動速度如此緩慢？火星地表環(huán)境復雜，“祝融號”和地球有最長40多分鐘的雙向通信時延，“祝融號”上還有大量精密的科學儀器。再加上發(fā)射火星探測器的經(jīng)濟成本和時間成本都很高昂，“祝融號”的使命是盡可能長時間執(zhí)行火星巡視探測，這些因素都決定了“祝融號”只能走一步看三步地慢慢移動。

“祝融號”共攜帶了六種科學儀器：導航與地形相機、多光譜相機、火星表面成分探測儀、火星車磁強計、次表層雷達和火星氣象站。“祝融號”和環(huán)繞器一起，共同收集火星地貌與地質構造特征、火星表面土壤特征與水冰分布、火星表面物質組成、火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征、火星物理場與內部結構等信息。

“祝融號”發(fā)回的自拍照

在“祝融號”著陸并巡視期間，“天問—號”的環(huán)繞器一直環(huán)繞火星。“祝融號”每天只有半個小時能直接向地球發(fā)送數(shù)據(jù)，而環(huán)繞器每天能夠發(fā)送數(shù)據(jù)的時間更長，因此“祝融號”收集到的數(shù)據(jù)會先發(fā)送給環(huán)繞器，再由環(huán)繞器以更快的速度傳回地球。

環(huán)繞器要精準指向地球，難度相當于在2米外瞄準繡花針孔。更難的是，環(huán)繞器要在不斷運動的情況下始終瞄準地球。位于天津武清的70米口徑全可動天線是負責接收“天問一號”傳來信號的地面天線之一，它由中國電子科技集團公司第三十九研究所研制，整個天線的總占地面積相當于10個籃球場，總重超過2700噸，天線的指向精度高達1/360°，是亞洲最大的全可動天線。

“天問一號”身上的“黑科技”

火星夜間地表溫度可低至-120℃。而著陸器發(fā)動機的尾焰溫度超過1000℃。為了保證“祝融號”上的實驗設備正常工作，“祝融號”采用了由中國航天科工集團第三研究院306所研發(fā)的兩種超低密度氣凝膠，分別應對極低溫和極高溫。

“祝融號”的能量來自太陽能.但火星和太陽的距離比地球和太陽的距離更遠，火星表面的光照強度僅為地球的40%左右。為了保證能量供應，“祝融號”配備了四塊碩大的蝴蝶形太陽能帆板，比嫦娥工程月球車的太陽能帆板還大。火星表面經(jīng)常發(fā)生塵暴，美國“機遇號”火星車在經(jīng)過6個月的巡視探測后，其太陽能帆板的發(fā)電功率因塵土覆蓋下降近一半。中國航天人正是考慮到這點，才將“祝融號”的太陽能帆板設計得足夠大。

“天問一號”的質量每減輕1克，莫節(jié)約的發(fā)射成本遠超1克黃金的價值。由西安交通大學團隊研制的鎂鋰合金是“天問一號”減重的功臣。鎂鋰合金是最輕的合金材料之一，不但具有可媲美鋼材的強度，密度還僅為鋁合金的1/2。美國宇航局為航天飛機、人造衛(wèi)星和探測器配置了多種型號的鎂鋰合金，但這種優(yōu)異的航天材料的制造技術在很長一段時間里都被國外壟斷。經(jīng)過先后10年的攻關，我國獨立研發(fā)出能夠用于航天器材的新型鎂鋰合金。

氣凝膠不但很輕，而且能有效隔絕極端高溫和低溫

像這樣的“黑科技”在“天問一號”上還有許多，例如應急信標、懸架減速自鎖裝置、棺控陣敏感器和軌控發(fā)動機等等。航天產業(yè)是“金字塔尖產業(yè)”，需要運載火箭、發(fā)射場、探測器、測控通信等一系列設備和技術?！疤靻栆惶枴笔侵袊教炜萍歼M步的體現(xiàn)，也標志著我國綜合國力越來越強。

迄今火星探測器得到的重要發(fā)現(xiàn)

火星軌道上目前有7艘環(huán)繞探測器，在火星地表則有包括“祝融號”在內的3輛處于工作狀態(tài)的火星車、1臺固定探測器、1架無人機和4臺已經(jīng)結束任務的探測器。迄今探測器傳回的信息讓我們對火星有了更深入的了解。

1.火星兩極有冰冠覆蓋，有季節(jié)性水汽，有地下水涌出地面的痕跡。

2.火星過去可能被大面積的海洋、湖泊和河流覆蓋。

3火星兩極和中緯度地表下存在大量水冰，火星土壤中含有豐富的水分。

4.火星冰蓋下被發(fā)現(xiàn)有一個直徑20千米的冰下湖，這是人類在火星上首次發(fā)現(xiàn)的大型液態(tài)水體。

5.火星上會下雪（成分為二氧化碳），但雪還沒觸地就會被蒸發(fā)殆盡。

6.火星地表的泥巖被檢測出合有硫、氮、氧、磷和碳——它們都是生命存在所必需的關鍵元素。

7.因為火星沒有由內部含鐵流體運動而產生的磁場，所以高能宇宙射線會直接抵達火星表面。如果人類上到火星表面活動，這些宇宙射線會嚴重危害人類的健康。

火星地下水

許多人肯定會問，人類為什么要不停地探索太空？其實，太空探索活動需要包括合成材料、計算機、自動控制、低溫以及半導體技術等在內的一系列高精尖技術，實施太空探索能大大推進這些技術發(fā)展，并最終反哺民用領域。今天的手機有計步功能，你每天走了多少步是由手機中的加速計模塊統(tǒng)計的，而加速計模塊最早是裝配在人造衛(wèi)星上的。并且，人類對未知世界的好奇心是支持太空探索活動的最主要動力?；鹦鞘俏覀冊谔栂抵械摹班従印?，地球^最終踏上火星只是時間問題。

“天問一號”背后的國際合作

在承擔“天問一號”發(fā)射任務的“長征五號”遙四運載火箭的整流罩上，除了鮮艷的五星紅旗外，還印有歐洲航天局、法國航天局、阿根廷國家空間活動委員會以及奧地利研究促進署的標志，這是因為這些機構不同程度地參與了“天問一號”所執(zhí)行的任務。

在“天問一號”發(fā)射升空后，歐空局通過位于法屬圭亞那的地面站跟蹤“天問一號”，在“天問一號”進入火星軌道的過程中，歐空局位于澳大利亞和西班牙的地面站為其提供精確的導航支持。法國為“天問一號”探測器搭載的激光誘導擊穿光譜儀提供了校準和測試等方面的幫助。奧地利研究促進署幫助研發(fā)了“天問一號”的磁強計。

“天問一號”的兩座國內深空測控站分別位于黑龍江佳木斯和新疆喀什，這種布局充分利用了我國5200多千米的東西縱深。但即便如此，在地球自轉影響下，深空測控站每天總還是有一段時間無法測控“天問一號”，為了實現(xiàn)連續(xù)測控，中國與阿根廷國家空間活動委員會合作，在阿根廷修建了內烏肯深空測控站，實現(xiàn)了探測器的全天連續(xù)深空測控。

我們的“鄰居”火星

火星作為地球的“鄰居”，在許多方面都和地球十分接近?；鹦堑馁|量為地球的1/9，平均溫度-62℃，有非常稀薄的大氣，其中95%為二氧化碳，是最有可能成為人類第二家園的行星。

火星地表布滿氧化鐵礦物，因此呈紅色。由于火星和地球的相對位置周期性變化，火星在地球的亮度也時高時低，火星最亮的時候比地球夜空中第一亮星——天狼星還亮。因為這種周期性的亮度變化，中國古人將火星稱為“熒惑”。

“天問一號”和“祝融號”名稱的由來

據(jù)悉，我國未來的行星探測任務都將以“天問”命名，“天問一號”火星探測任務的順利實施為該系列任務開了好頭?！短靻枴肥浅娙饲瓌?chuàng)作的一首長詩，在其中屈原向天地起源發(fā)問，因此，我國深空探測任務的命名才選擇了“天問”二字。祝融則是我國神話中的火神，也是我國原始社會末期最著名的部落領袖之一。選擇祝融并非只因為火星中有個火字，更是對人類邁向星辰大海的美好祝愿，也體現(xiàn)了國際航天事業(yè)對國際合作、融合的促進作用。