中國的火星探測之旅

■文/張志會

火星探測是當(dāng)今航天技術(shù)的前沿和航天強(qiáng)國的重要標(biāo)志之一，雖然技術(shù)難度大，但是鑒于火星探測在國防、科研和民用領(lǐng)域的巨大潛在價值，許多國家在實施月球探測后紛紛開啟火星探測。

2020年7月23日，我國首次火星探測任務(wù)天問一號探測器在海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射成功并順利入軌，目前正在執(zhí)行既定研究任務(wù)。我國首次火星探測任務(wù)并非簡單重復(fù)美國、俄羅斯、歐洲火星探測的老路，而是設(shè)置了很高的起點(diǎn)，大大提升了我國空間探測器的研制水平，推動了我國行星探測和基礎(chǔ)科學(xué)研究的發(fā)展，使我國躋身國際空間探測領(lǐng)域先進(jìn)行列。

那么，人類為什么要去火星？中國的火星探測又是如何醞釀和逐步實施起來的呢？

30年前已開展火星探測的必要性和可行性研究

中國月球探測工程首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士歐陽自遠(yuǎn)曾說，中國開展火星探測的可行性論證幾乎與探月工程同步。20世紀(jì)90年代，我國許多專家學(xué)者就對我國開展月球探測的必要性和可行性進(jìn)行過系統(tǒng)的論證，并一致認(rèn)為：當(dāng)時中國完全可以利用現(xiàn)有設(shè)備和條件，大部分采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，開展環(huán)月探測；在此基礎(chǔ)上，充分利用中國載人航天工程（921 工程）所發(fā)展的技術(shù)，進(jìn)一步開展月球軟著陸探測工程；對于開展火星探測，盡管我國目前還不完全具備能力（如測控、運(yùn)載等），但也應(yīng)該開展一些預(yù)先研究和關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，在實施我國月球探測工程的過程中適時開展火星探測，并積極開展國際合作，使我國的火星探測融入國際主潮流。

1992年，國際空間年之際，中國空間專家就未來火星探測的組織機(jī)構(gòu)與法律問題提出自己的建議。例如，中國專家建議由聯(lián)合國外層空間委員會作為最高層的組織機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一計劃、安排世界各國的火星探測活動，在該委員會內(nèi)設(shè)立火星探測工作組，并提出在自愿的基礎(chǔ)上組建國際火星探測空間機(jī)構(gòu)。這些建議引起了國際同行的巨大興趣。

“863”計劃和“973”計劃支持下開展火星探測預(yù)先研究

圍繞火星探測的預(yù)先研究，在國家“863”計劃和“973”計劃中關(guān)于“行星探測”方面的課題均得到部署和開展?？臻g物理學(xué)家、中國科學(xué)院院士劉振興早在20世紀(jì)90年代中期曾主持過我國“863”計劃中的一項軟課題——“我國開展火星探測的必要性和可行性研究”。他基于當(dāng)時國外火星探測的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，結(jié)合我國的國情，提出了我國火星探測的目標(biāo)以及探測器粗略方案。可惜這個計劃并沒有被列入國家規(guī)劃，只是“研究研究而已”。但是，他的這一計劃在相當(dāng)程度上是日后我國火星探測計劃的雛形，他也多次提倡中國應(yīng)盡早對火星探測計劃進(jìn)行預(yù)先研究，特別是一些關(guān)鍵技術(shù)，如火星衛(wèi)星軌道計算、運(yùn)載系統(tǒng)及大功率遠(yuǎn)距離通信設(shè)備。2003年，自然科學(xué)基金會已將“地球空間環(huán)境與火星空間環(huán)境比較研究”列為重要資助領(lǐng)域。歐陽自遠(yuǎn)院士也曾提倡，地外天體探測的基礎(chǔ)性研究應(yīng)提前很多年著手。

為實施中國的火星探測計劃，“863”計劃在“十一五”期間設(shè)立了重大項目，開展火星探測器總體技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)、大氣進(jìn)入技術(shù)等專項研究?！?73”計劃于“十二五”期間支持了兩個深空探測領(lǐng)域的綜合交叉項目，重點(diǎn)開展“火星精確著陸自主導(dǎo)航與制導(dǎo)控制、探測器巡航飛行高精度自主導(dǎo)航”等關(guān)鍵技術(shù)研究。

在“863”計劃和“973”計劃的支持下，我國科學(xué)家不僅調(diào)查了國外在火星等行星探測方面的進(jìn)展與科學(xué)成果，研究了我國初期火星探測的科學(xué)目標(biāo)和探測器方案，而且使我國突破了火星表面復(fù)雜形貌時空表征與識別、多尺度信息優(yōu)化自主導(dǎo)航等前沿技術(shù)，研制了火星精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制綜合仿真系統(tǒng)，為火星探測工程立項提供了技術(shù)支撐，并首次提出了開展火星探測的技術(shù)路線?！吨袊暮教臁钒灼选吧羁仗綔y”作為空間科學(xué)的一個重要內(nèi)容列入其中。

嫦娥工程的多年積累為火星探測提供技術(shù)基礎(chǔ)

經(jīng)過多年發(fā)展，我國航天事業(yè)已經(jīng)較成體系。2007年10月24日，嫦娥一號在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，并于2009年3月1日按照計劃撞擊月球表面預(yù)定地點(diǎn)。嫦娥一號任務(wù)的成功實施使我國掌握了深空探測的一系列關(guān)鍵技術(shù)。探月工程二期后，我國建立完善了地面站，解決了測控通信等難題。正是由于這些技術(shù)積累帶來的信心和底氣，我國在2009年公布的《中國2050年科技發(fā)展路線圖》中明確列出：在2020年前后，建立長期有人逗留的近地軌道空間站，探測器可達(dá)火星。

2010年，趁著嫦娥二號月球探測器成功運(yùn)行的東風(fēng)，多位院士聯(lián)名向國家建議，開展月球以遠(yuǎn)深空探測的綜合論證。國防科工局立即組織專家組開展了發(fā)展規(guī)劃和實施方案論證，對實施方案進(jìn)行了三輪迭代和深化。但是，工程立項則要等到6年以后。

A Brief History

20世紀(jì)90年代

專家學(xué)者開始論證中國月球與火星探測的必要性與可行性。

20世紀(jì)90年代中期

劉振興院士在“863”計劃支持下完成《我國開展火星探測的必要性和可行性研究報告》。

1992年

中國空間專家就未來火星探測的組織機(jī)構(gòu)與法律問題提出自己的建議。

2003年

自然科學(xué)基金會重點(diǎn)資助“地球空間環(huán)境與火星空間環(huán)境比較研究”。

2007年10月

嫦娥一號在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。

2010年

嫦娥二號成功運(yùn)行，多位院士聯(lián)名建議，開展月球以遠(yuǎn)深空探測的綜合論證。

曾嘗試搭乘俄羅斯火星探測順風(fēng)車而失敗

盡管嫦娥一號、嫦娥二號的成績令國人驕傲，但是中國科技界也深知，火星探測技術(shù)復(fù)雜，需要解決諸如4 億km 之遙的深空遠(yuǎn)距離測控通信問題等諸多難題。于是，我國并沒有一開始就決定完全自主探索，而是選擇認(rèn)真借鑒和學(xué)習(xí)美國與其他國家的火星探測活動，并努力爭取搭一下火星探測先發(fā)國家的順風(fēng)車。當(dāng)時，我國想到的是借俄羅斯之力。

2007年3月26日，在中俄兩國元首的見證下，中國國家航天局局長孫來燕與俄羅斯聯(lián)邦航天局局長佩爾米諾夫共同簽署了《中國國家航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天局關(guān)于聯(lián)合探測火星- 火衛(wèi)一合作的協(xié)議》，確定雙方于2009年聯(lián)合對火星及其衛(wèi)星火衛(wèi)一進(jìn)行探測。從2007年6月開始，以上海衛(wèi)星工程研究所為主的科研團(tuán)隊花了兩年多的時間完成了螢火一號的研制，上海的科研團(tuán)隊共攻克了探測器的5項關(guān)鍵技術(shù)。

同樣作為兩國合作的一部分，2010年6月3日17時至2011年11月4日18 時，我國航天員教員王躍及俄羅斯等國家的5 名志愿者參與了俄羅斯歷時520 天的“火星-500”計劃。志愿者模擬了飛往火星、環(huán)繞火星、登陸火星和返回地球等全過程。通過該項目的試驗，我國獲得了一些重要的火星探測試驗資料。

比原計劃推遲了兩年，2011年11月9日，我國首個火星探測器螢火一號搭載在俄羅斯的福布斯-土壤火星探測器上，搭乘天頂號運(yùn)載火箭從拜科努爾航天中心發(fā)射升空。然而，福布斯-土壤火星探測器在發(fā)射升空后出現(xiàn)意外，在與運(yùn)載火箭分離后未能按計劃實現(xiàn)變軌，螢火一號也不知所終。由于本次整個發(fā)射過程完全由俄羅斯控制實施，我國全程非常被動。此次失敗給我國火星探測帶來了一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的損失，對中國獨(dú)立自主研制、發(fā)射火星探測器產(chǎn)生了反向激勵。

與俄羅斯合作的失敗經(jīng)歷使中國航天界更加意識到，我國月球和火星探測相關(guān)研究起步較晚，目前仍面臨不少困難和問題，我們既要保持國際合作以充分利用深空探測資源，也要努力實現(xiàn)未來中國自主進(jìn)行火星探測。鑒于中國火星探測需要形成更具有前瞻性的、明確的科學(xué)目標(biāo)，并借鑒和總結(jié)國外的成果和經(jīng)驗，2011年10月18—20日，由中國工程院、原國土資源部、中國科學(xué)院、中國航天科技集團(tuán)公司主辦的“月球與火星探測科技高層論壇”在北京舉行。來自美國、法國、印度、日本等國的專家以及我國參與月球和火星探測的首席科學(xué)家及主要負(fù)責(zé)人，分別就國際新一輪探月地學(xué)研究成果、火星探測成果、各國月球登陸點(diǎn)的選擇方案、科學(xué)目標(biāo)與相關(guān)探測技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行討論。

2011年10月

月球與火星探測科技高層論壇在北京舉行，美國、法國、印度、日本等國的專家分享火星探測成果、技術(shù)與選擇方案。

2011年11月

俄羅斯發(fā)射的福布斯-土壤火星探測器及其所搭載的中國螢火一號火星探測器在剛升空不久就出現(xiàn)意外。

2016年年初

中國火星探測計劃正式立項實施。

2016年年底

探測器完成全部關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和詳細(xì)設(shè)計。

2020年7月

天問一號火星探測器成功發(fā)射升空和入軌。

2021年5月

天問一號第一次通過環(huán)繞器傳回火星車遙測數(shù)據(jù)。

難度上開創(chuàng)先例的火星探測技術(shù)方案和關(guān)鍵技術(shù)研究

2016年4月22日，首個“中國航天日”新聞發(fā)布會上，國家航天局透露火星探測任務(wù)已經(jīng)獲批立項，計劃于2020年擇機(jī)發(fā)射的首顆火星探測器將實現(xiàn)“繞、著、巡”一期工程目標(biāo)。

從以往人類火星探測的歷史看，環(huán)繞探測是著陸和巡視的先期工程，環(huán)繞探測和著陸巡視任務(wù)一次性實施的難度極大，我國首次任務(wù)以“繞、著、巡”為目標(biāo)，將開世界火星探測史上的先例。除了探月工程所掌握的關(guān)鍵技術(shù)為火星探測任務(wù)奠定了基礎(chǔ)外，我國的大推力運(yùn)載火箭、超1 億km 測控等技術(shù)也取得了重大突破。以往深空探測的飛行軌道控制和遠(yuǎn)距離測控是我國的薄弱環(huán)節(jié)，但通過地面測控系統(tǒng)64 m 大口徑天線的建設(shè)，我國完善了深空測控網(wǎng)，為未來火星探測器的遠(yuǎn)程測量與控制奠定了基礎(chǔ)?？傮w上看，我國已經(jīng)具備了自主開展到達(dá)距地球約4億km 遠(yuǎn)火星探測的前提條件。

歐陽自遠(yuǎn)院士曾在2011年總結(jié)了火星探測的三大科學(xué)任務(wù)：一是探測現(xiàn)在火星生命活動的信息，探尋火星過去是否存在過生命，為生命起源和探尋地外生命提供新的科學(xué)依據(jù)；二是探測與研究火星的演化以及與類地行星進(jìn)行比較，為太陽系的起源與演化研究提供新的科學(xué)論據(jù)；三是探討在火星上創(chuàng)造適合人類生存的環(huán)境的可能性。首次火星探測任務(wù)的工程目標(biāo)則包括：一是突破火星制動捕獲、進(jìn)入/下降/著陸、長期自主管理、遠(yuǎn)距離測控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)火星環(huán)繞探測和巡視探測，獲取火星探測科學(xué)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)我國在深空探測領(lǐng)域的技術(shù)跨越；二是建立獨(dú)立自主的深空探測工程體系，包括設(shè)計、制造、試驗、飛行任務(wù)實施、科學(xué)研究、工程管理以及人才隊伍建設(shè)，推動我國深空探測活動可持續(xù)發(fā)展。

立項之后，我國組織科研單位開展了緊鑼密鼓的關(guān)鍵技術(shù)研究，推動深空探測工程實施。天問一號探測器由一架軌道飛行器和一輛火星車構(gòu)成。自立項以來，中國空間技術(shù)研究院在4年多時間里高效完成了火星探測器研制任務(wù)。我國也加快建設(shè)了大功率天線、火星探測地面站、微弱信號高性能接收系統(tǒng)以及深空測控網(wǎng)，更大推力的長征五號運(yùn)載火箭更是重要支撐。

2016年7月，火星探測器研制轉(zhuǎn)入初樣。2016年年底，探測器完成全部關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和詳細(xì)設(shè)計。

天問一號任務(wù)不僅是我國首次火星探測任務(wù)，也標(biāo)志著我國行星探測計劃的“問天之旅”已經(jīng)走出了第一步，逐步形成整體概念，深空探測正挺進(jìn)更深遠(yuǎn)的宇宙。

天問一號順利升空履行使命

2019年11月，國家航天局首次公開了我國火星探測任務(wù)。根據(jù)計劃，我國將在第二年擇機(jī)發(fā)射火星探測器，開展火星全球性和綜合性探測。同年11月14日，國家航天局邀請部分外國駐華使館及國際組織人員赴河北觀摩中國首次火星探測任務(wù)著陸器懸停避障試驗，并參觀相關(guān)試驗設(shè)施。這是中國火星探測任務(wù)及飛行控制團(tuán)隊首次公開亮相，也是中國向國際航天界表達(dá)合作誠意的信號與舉措。

2020年是火星探測任務(wù)發(fā)射大年，多個火星探測器發(fā)射升空，包括阿聯(lián)酋的希望號、中國的天問一號和美國的火星2020。2020年3月10日，北京航天飛行控制中心圓滿完成我國首次火星探測任務(wù)無線聯(lián)試，這也是任務(wù)中心與航天器正樣的唯一一次地面聯(lián)合演練。4月24日，第五個“中國航天日”，中國行星探測任務(wù)被命名為“天問系列”，首次執(zhí)行中國自主火星探測任務(wù)的火星探測器被命名為天問一號。7月23日12 點(diǎn)41 分，載有天問一號火星探測器的長征五號遙四運(yùn)載火箭在海南文昌發(fā)射場成功發(fā)射升空，這標(biāo)志著我國首次自主火星探測任務(wù)正式開啟。

2021年4月24日，中國首輛火星車命名為祝融號。此前，美國火星探測計劃借助好奇號火星車將一個配有高精度儀器的巨大實驗室搬到火星，而中國的火星探測計劃更側(cè)重“火星軌道器＋火星車”協(xié)同工作。在太空中進(jìn)行漫長旅程后，同年5月15日7 時18 分，科研團(tuán)隊根據(jù)祝融號火星車發(fā)回的遙測信號確認(rèn)，天問一號著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，我國首次火星探測任務(wù)著陸火星取得圓滿成功。同年5月17日，天問一號第一次通過環(huán)繞器傳回火星車遙測數(shù)據(jù)。

天問一號任務(wù)不僅是我國首次火星探測任務(wù)，也標(biāo)志著我國行星探測計劃的“問天之旅”已經(jīng)走出了第一步，逐步形成整體概念，深空探測正挺進(jìn)更深遠(yuǎn)的宇宙。未來，“天問系列”探測任務(wù)還將繼續(xù)，我國計劃在2030年開展第二次火星探測任務(wù)（采樣返回），也會繼續(xù)推動小行星探測以及木星、土星等更遠(yuǎn)星球的探測工程。