天問與祝融：中國擁抱火星！

太陽系是我們的家園，地球是太陽系中的一顆行星。雖然，從大小看，金星是與地球最接近的行星，但是火星才是太陽系中與地球的環(huán)境最相似的行星[1]。在古代，不管是東方還是西方，人們大多把火星當(dāng)作不吉的象征，因為它的顏色是紅色的。在西方神話中，火星被視為戰(zhàn)神的象征，代表著戰(zhàn)爭、血腥和災(zāi)難。在公眾眼中，火星的角色幾經(jīng)反轉(zhuǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為最吸引人類前往探索的星球。

火星為何會逆行

火星沖日是一種常見的天文現(xiàn)象。每當(dāng)天空中火星和太陽分處地球的兩側(cè)，當(dāng)太陽、地球、火星處于一條直線上時，就會出現(xiàn)所謂的火星沖日現(xiàn)象。在出現(xiàn)火星沖日天象的前后數(shù)天，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。這就好似農(nóng)夫肩上的扁擔(dān)，一頭翹起，另一頭就會落下。深夜的時候，太陽照亮了我們腳下的另一個半球，火星則恰好在我們頭頂?shù)恼戏?，相?dāng)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，鑲嵌在黑色的天幕中，熒熒如火，熠熠生輝，美艷無比。

火星與地球，就像運動場上在第三跑道與第四跑道奔跑的兩位運動員，它們之間的距離有時近，有時遠(yuǎn)，近的時候只相當(dāng)于跑道寬度的距離，而遠(yuǎn)的時候則需要橫跨整個運動場?；鹦菦_日的時候，是火星與地球距離最近的時候，也是從地球上觀測火星的最佳時期[2]。航天時代以前，每逢火星沖日，全世界的天文學(xué)家都會把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)火星。1610年，伽利略把望遠(yuǎn)鏡第一次對準(zhǔn)了火星，但那時的望遠(yuǎn)鏡實在是太簡陋了，似乎沒有證據(jù)說明他當(dāng)時有什么發(fā)現(xiàn)。

很多人在介紹天象時，喜歡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(yuǎn)鏡，我們就能看到火星的紅色表面、不同地區(qū)的明暗變化，甚至還能看到白色的極冠。運氣好的話，或許還能識別出長達(dá)4000多千米的水手大峽谷。

時至今日，民間仍然有一種說法認(rèn)為，火星沖日和個人運勢有關(guān)，這是沒有任何道理的?；鹦菦_日時，地球和火星這兩顆行星在太陽的同一側(cè)，都以逆時針繞著太陽轉(zhuǎn)，這是一種周期性出現(xiàn)的自然現(xiàn)象。就像操場上跑步的兩位同學(xué)，不管誰快誰慢，多跑幾圈，總有機會出現(xiàn)兩人并肩跑的情況。

生活中，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，又開始往前走了。實際上，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，只是有些行星看起來比較明顯，有些看起來不太明顯，但這只是我們從地球上看事物的直覺，并不符合客觀事實。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。其他行星和地球一樣，都繞著太陽逆時針公轉(zhuǎn)，它們到地球的距離有時遠(yuǎn)、有時近。

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，與國家和個人的命運沒有任何關(guān)系。我們在地球上的生活主要受太陽引力和輻射的影響，其他行星的引力、輻射，對我們基本沒有影響。所以，就像莎士比亞曾經(jīng)說過那樣：“掌握我們命運的不是星座，而是我們自己。”

火星探測器為什么有發(fā)射窗口

2020年7月20日，阿聯(lián)酋發(fā)射了“希望號”；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擇在這時候飛向火星呢？這是因為，2020年7月到8月，是火星探測器的發(fā)射窗口。

在太陽系中，地球沿著第三條軌道運行，火星沿著第四條軌道運行，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，與六七個月之后航天器抵達(dá)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，它是由德國物理學(xué)家霍曼（W. Hohmann）通過計算發(fā)現(xiàn)的，被稱為霍曼轉(zhuǎn)移軌道。

航天器要順利進(jìn)入霍曼轉(zhuǎn)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(zhuǎn)2圈多，火星繞太陽一圈多，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。

火星探測器在發(fā)射窗口發(fā)射，最節(jié)省燃料，只需要把從探測器的飛行速度提高到每秒11.2千米（也就是擺脫地球引力的“第二宇宙速度”）[3]。你可能在想，能不能隨時都可以去火星，這也不是不可以，但要付出的代價就要大得多，如果在最不利的時機去火星，探測器需要經(jīng)歷加速、減速、改變方向等過程，這些過程都要消耗燃料，消耗的燃料如果折算成速度變化量，相當(dāng)于要把探測器的速度變化提高到每秒100千米，相比在發(fā)射窗口去火星提高了9倍，這對航天技術(shù)是一個很大的考驗，即便能實現(xiàn)，也很不經(jīng)濟(jì)。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。

火星探測器的發(fā)射窗口，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，而是在火星沖日之前的2～3個月發(fā)射的。

火星，中國來了

在太陽系中，火星與地球的環(huán)境最相似，是深空探測的熱點和重點。世界各國已經(jīng)開展了40多次火星探測任務(wù)?，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。筆者有幸在現(xiàn)場目睹了火箭升空的那一刻，在疫情籠罩的陰霾下，這次成功來之不易。

“天問”一詞源于2300年前我國浪漫主義詩人屈原寫的一首長詩的題目，表達(dá)了中國人對天地萬物和人類社會等自然現(xiàn)象的好奇，展現(xiàn)了中華民族不畏艱難、追求真理的決心和意志。“攬星九天”是我國首次火星探測任務(wù)的標(biāo)識，也是中國行星探測計劃的整體標(biāo)識，展現(xiàn)了八大行星環(huán)繞太陽運行的軌道，意味著中國不僅將探測火星，還將探測太陽系的其他行星及其衛(wèi)星和小天體?！疤靻栆惶枴笔侵袊状位鹦翘綔y任務(wù)的名稱，在它之后還會有“天問二號”“三號”“四號”……用于對太陽系的其他天體進(jìn)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(chǔ)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(shù)[4]。比如，“天問一號”在最后階段登陸火星時，采用了像嫦娥三號那樣利用火箭反推、四條著陸腿的著陸方式。月球探測與火星探測有明顯不同。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)歷黑色七分鐘（這是約數(shù)，由于著陸方式和計時起點不同，也有專家認(rèn)為需要約九分鐘）。首先，利用大氣摩擦減速，就像流星劃過夜空；然后，打開降落傘，進(jìn)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(jìn)行減速。多種減速方式綜合使用，才能成功登陸火星。探月工程的成功實施，使中國人在開展火星探測時更自信?！疤靻栆惶枴比讲⒆饕徊阶?，通過一次任務(wù)，實現(xiàn)對火星的環(huán)繞、著陸、巡視三大目標(biāo)，步子邁得更大。

在地球上，我們可以通過北斗衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航，那么，飛向火星的航天器是用什么方式導(dǎo)航的呢？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，確定自己所在的位置，實現(xiàn)導(dǎo)航，精確地瞄準(zhǔn)火星。登陸火星表面后，火星車在上下坡的時候，通過觀察太陽的方位、感應(yīng)重力的方向，來計算自己的姿態(tài)、評估安全性?；鹦擒囘€可通過觀察火星表面的山峰和石塊等顯著標(biāo)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，在追逐火星的道路上飛行。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(zhǔn)火星，不偏離航線，最終成功抵達(dá)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，第一次軌道修正，在離地球超過300萬千米的深空中，3000牛主發(fā)動機開機工作，歷時20秒，修正了“天問一號”的飛行軌道，讓它精確地按照設(shè)計好的軌道飛行。

9月20日，第二次軌道修正。在離地球約1900萬千米的深空中，“天問一號”上4臺推力為120牛的發(fā)動機同時點火工作，持續(xù)20秒。由于軌道修正的幅度很小，所以不需要用到主發(fā)動機，用小推力發(fā)動機即可實現(xiàn)。

10月9日23時，第三次軌道修正，在離地球2940萬千米中的深空中，“天問一號”又有新動作。推力為3000牛的主發(fā)動機再次點火，持續(xù)工作8分鐘。這次軌道調(diào)整的結(jié)果是把探測器所在的軌道，從地球所在的太陽系“三環(huán)”路，轉(zhuǎn)移到火星所在的“四環(huán)”路上。

2021年春節(jié)前夕，“天問一號”經(jīng)歷了關(guān)鍵一刻。2月10日，經(jīng)過半年多長途飛行，飛越4億多千米，“天問一號”與火星在太陽系“四環(huán)”路上遭遇，3000牛的主發(fā)動機進(jìn)行了一次時間更長的點火，經(jīng)過剎車減速，被火星引力捕獲，成為火星的人造衛(wèi)星。這次剎車更為重要，直接決定了火星探測任務(wù)的成敗。

2月15日17時，“天問一號”在遠(yuǎn)火點實施軌道機動，3000牛發(fā)動機點火工作，將環(huán)火軌道從傾角10°的大橢圓軌道（環(huán)繞赤道），調(diào)整為軌道傾角約86°的極軌大橢圓軌道（環(huán)繞南北極），近火點高度調(diào)整為距離火星表面約280千米。

2月20日20時，“天問一號”實施第二次近火制動，進(jìn)入周期約為3.5天的停泊調(diào)相軌道。

2月24日6時，天問一號實施第三次近火制動，進(jìn)入近火點高度約280千米，遠(yuǎn)火點高度約57 000千米，周期為49.2小時（約2個火星日）的停泊軌道。進(jìn)行了第三次近火點制動（剎車），進(jìn)入近火點高度約280千米，遠(yuǎn)火點高度約57 000千米，周期為49.2小時（約2個火星日）的停泊軌道，并在這一軌道停留長達(dá)三個月。利用軌道器上的中分辨率相機、高分辨率機等科學(xué)儀器，對火星南北極和預(yù)定著陸區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)勘查，并通過第一手?jǐn)?shù)據(jù)，確認(rèn)了預(yù)選著陸區(qū)的環(huán)境條件，獲取了著陸區(qū)的地形、氣象條件等信息，為登陸火星做好準(zhǔn)備。

4月24日，國家航天局正式公布中國第一輛火星車（即巡視器）的名稱——“祝融號”。祝融是中國神話中的火神，傳說是三皇五帝時掌管火種的官員。首輛火星車的名稱源自中國傳統(tǒng)文化，體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)與古代傳統(tǒng)文化的跨時空接觸，體現(xiàn)了中國人的科學(xué)夢想、探索精神、浪漫情懷和文化自信?！白Ｈ谔枴被鹦擒嚫?.85米，重240千克左右。設(shè)計壽命為火星上的3個月，相當(dāng)于約92個地球日。

5月15日，“天問一號”著陸巡視組合體（簡稱：著巡組合體）在火星北半球的烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)著陸，中國成為世界上第二個實現(xiàn)航天器成功登陸火星的國家。烏托邦平原是火星上最大的盆地，直徑達(dá)3300千米。著陸點位于東經(jīng)109.9°，北緯25.1°，海拔約-3800米。按照經(jīng)緯度來比較，相當(dāng)于廣西的桂林。與桂林山水甲天下的喀斯特地貌不同，這里寒冷干燥，寸草不生。但在三十多億年前，這里曾經(jīng)是一片巨大的海洋。而“祝融號”要探測的地方，正好是古海洋與古大陸的交界地帶。

5月22日10時40分，“祝融號”火星車駛離著陸平臺，正式踏上火星表面。“祝融號”不僅是一輛車，更是一個機器人地質(zhì)學(xué)家，它攜帶了6種科學(xué)儀器，用來探測地形地貌、表面物質(zhì)成分、地下水冰、磁場和氣象狀況，目的是探測火星表面的地形地貌、物質(zhì)成分、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和氣象環(huán)境等。

火星的照片是怎么傳回地球的呢？我們知道，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。月球到地球的平均距離為38萬千米，所以，月球探測器與地球進(jìn)行通信時，幾乎感覺不到延時，可以在地球上實時控制探測器的運動。不同的是，地球到火星之間的距離是變化的，最近的時候約為5500萬千米，最遠(yuǎn)的時候，也就是火星與地球分別位于太陽的兩側(cè)時，兩者間的距離達(dá)4億千米。因此，地面與火星探測器的通信，面臨著長達(dá)十幾分鐘的延遲，最長達(dá)22分鐘，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。

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。探測器收到指令后，才能在規(guī)定的時間執(zhí)行?！疤靻栆惶枴钡诌_(dá)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之后才能知道出問題了?？茖W(xué)家和工程師經(jīng)過研究之后，形成探測器的應(yīng)對方案，生成處置命令發(fā)給探測器。十幾到二十幾分鐘后，探測器才能收到這個命令。半個多小時到四十多分鐘后，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” 和“祝融號”按照既定的程序工作。同時，它還必須具備一定的自主處置能力。遇到簡單問題時，進(jìn)入故障回路，通過預(yù)先設(shè)定的方案自己解決。遇到復(fù)雜問題自己不能解決時，探測器會進(jìn)入安全模式，把不必要的設(shè)備關(guān)閉，然后等待地面指令。地面控制中心收到探測器的故障情況，會根據(jù)故障預(yù)案進(jìn)行處置；遇到特別復(fù)雜的情況，還需要在地面模擬出現(xiàn)的故障，看看處置辦法是否有效，研究后再進(jìn)行處理。

遙望火星移民

進(jìn)入航天時代以來，探測器可以飛到火星的附近，甚至著陸到火星表面開起車來?，F(xiàn)代人對火星的認(rèn)識，主要得益于火星探測器得到的結(jié)果，這其中經(jīng)過了數(shù)次反轉(zhuǎn)。從古代神話中血腥的戰(zhàn)神，到日心說建立后成為一顆普通的行星。從望遠(yuǎn)鏡中的模糊影像，到發(fā)現(xiàn)火星上疑似的運河。從火星運河被航天器證偽，到證實火星曾經(jīng)宜居。從火星表面環(huán)境嚴(yán)酷，到現(xiàn)在仍然有水，甚至可能還有生命。40多次火星探測任務(wù)的科學(xué)探測結(jié)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[5]。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適宜人類居住的行星。實現(xiàn)火星生存，前途漫漫。但每一點突破，都在積累人類走向太空的能力。

（致謝：本文部分內(nèi)容受中國青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會科學(xué)教育項目2020QFXIP、中國科學(xué)院科技扶貧項目KFJFP-202107的資助。）

[1]大衛(wèi)·M·哈蘭德. 火星全書： 從45億年前至今的火星全記錄.鄭永春， 劉晗， 譯. 北京： 北京聯(lián)合出版公司， 2019.

[2]鄭永春. 火星零距離. 杭州： 浙江教育出版社， 2018.

[3]歐陽自遠(yuǎn)， 鄒永廖. 火星科學(xué)概論. 上海： 上?？萍冀逃霭嫔纾?2017.

[4]鄭永春. “太空地圖”系列——火星全圖. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2018.

[5]鄭永春. 太空地圖： 火星叔叔帶你游太空. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2018.

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