中國首次火星探測的四大看點

本報記者 劉揚 樊巍 本報特約記者 柳玉鵬

編者按：7月23日12時41分，我國在文昌航天發(fā)射場用長征五號遙四運載火箭成功發(fā)射首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器，火箭飛行約2167秒后，成功將探測器送入預(yù)定軌道，開啟火星探測之旅，邁出我國行星探測第一步。按照計劃，中國將在本次火星探測任務(wù)中完成“環(huán)繞、著陸、巡視”三大任務(wù)。這么重大的航天任務(wù)中，包含哪些重大技術(shù)看點，后續(xù)又有哪些不能錯過的關(guān)鍵節(jié)點呢？探測這個紅色星球的意義在哪里，中國為什么要探火呢？

看點一：如何一次性完成“繞、落、巡”

當(dāng)天發(fā)射圓滿成功，長征五號遙四運載火箭成功將探測器送入地火轉(zhuǎn)移軌道，但這只是“天問一號”一次性完成“繞、落、巡”系列任務(wù)的第一步。據(jù)介紹，火星探測器將在地火轉(zhuǎn)移軌道飛行約7個月后，到達火星附近，通過“剎車”完成火星捕獲，進入環(huán)火軌道，并擇機開展著陸、巡視等任務(wù)，進行火星科學(xué)探測。

具體來講，任務(wù)后續(xù)計劃分為以下幾個環(huán)節(jié)：一是器箭分離后，探測器太陽翼和定向天線相繼展開，在測控系統(tǒng)支持下，飛行約7個月抵達火星，其間進行深空機動和中途修正。二是探測器進入環(huán)火軌道并經(jīng)過制動后，通過2至3個月的環(huán)繞飛行后首選進入窗口，其間在著陸區(qū)上空對著陸區(qū)開展探測。三是探測器擇機實施降軌機動，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。環(huán)繞器升軌返回到停泊軌道，為著陸過程提供中繼通信。四是著陸巡視器進入火星大氣，依次完成配平翼展開、降落傘開傘、大底分離、背罩分離、動力減速、懸停、避障及緩速下降、著陸緩沖等動作，在火星烏托邦平原軟著陸。五是著陸巡視器安全著陸后，火星車與著陸平臺解鎖分離?；鹦擒囻傠x著陸平臺，開始巡視探測。環(huán)繞器進入中繼軌道，為火星車提供中繼通信，兼顧科學(xué)探測。六是火星車完成探測任務(wù)后，環(huán)繞器進入使命軌道，開展火星全球遙感探測，兼顧火星車擴展任務(wù)中繼通信。

據(jù)《環(huán)球時報》記者了解，我國首次火星探測任務(wù)起步雖晚，但起點高、跨越大，從立項伊始就明確提出在國際上首次通過一次發(fā)射，完成“環(huán)繞、著陸、巡視探測”三大任務(wù)。如果這一目標能夠在“天問一號”任務(wù)中順利實現(xiàn)，我國將成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術(shù)的國家。

據(jù)介紹，首次火星探測任務(wù)的工程目標，一是突破火星制動捕獲、進入/下降/著陸、長期自主管理、遠距離測控通信、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，推動我國深空探測活動可持續(xù)發(fā)展。

中國首次火星探測任務(wù)的科學(xué)目標，主要是實現(xiàn)對火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、火星表面土壤特征與水冰分布、火星表面物質(zhì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)等研究。

為了相關(guān)科學(xué)目標，火星環(huán)繞器攜帶7臺儀器，火星車攜帶6臺儀器，計劃通過一系列科學(xué)探測建立起對火星全面而基礎(chǔ)的認識。

全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩對《環(huán)球時報》記者表示，這在人類火星探測史上是前所未有的。采用這種“一舉三得”的探火方式，起點高，效益高，但挑戰(zhàn)大。如果成功，我國深空探測能力和水平將實現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界第3個在火星著陸的國家，第2個在火星巡視的國家。此外，環(huán)繞器對火星進行普查，火星車可以在著陸區(qū)火星表面詳查，這樣就可以一次性獲得更多成果。

中國航天技術(shù)專家黃志澄23日對《環(huán)球時報》記者表示，這次任務(wù)如果能“一氣呵成”完成三大火星探測任務(wù)，將創(chuàng)造一個人類探火的新紀錄，證明中國航天技術(shù)已經(jīng)步入世界先進行列，將是中國航天發(fā)展史的一個里程碑?！?/p>

看點二：“胖五”轉(zhuǎn)正后首次發(fā)射

此次發(fā)射“天問一號”火星探測器是長征五號火箭第一次工程應(yīng)用發(fā)射，標志著長征五號火箭關(guān)鍵技術(shù)已逐漸成熟，具備執(zhí)行國家重大航天工程任務(wù)的能力和條件。在此次“探火”任務(wù)中，“胖五”表現(xiàn)亮眼，在飛出中國火箭最快速度的同時，將5噸重的“天問一號”送入地火轉(zhuǎn)移軌道。

在長征五號火箭出現(xiàn)之前，我國火箭在不同軌道的最大運載能力分別為地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）約5.5噸（長征三號乙火箭）和近地軌道（LEO）約13.5噸（長征七號火箭），長征五號火箭的出現(xiàn)極大提高了這些數(shù)字。長征五號火箭總設(shè)計師李東介紹稱，“作為我國首型5米芯級直徑的大火箭，長征五號火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力可達14噸左右，為建設(shè)空間站而研制的長征五號B火箭近地軌道運載能力可達25噸”。

為了確保完成首次工程應(yīng)用發(fā)射任務(wù)，“胖五”做了精心準備。根據(jù)發(fā)射任務(wù)要求，“胖五”需要托舉火星探測器加速到每秒11.2公里以上的速度，將探測器直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道，開啟奔向火星的旅程。此次“胖五”發(fā)射“天問一號”探測器，在國內(nèi)首次達到并超過第二宇宙速度，飛出中國運載火箭的最快速度。

對于普通發(fā)射任務(wù)，1個發(fā)射窗口只需要設(shè)計1條火箭發(fā)射軌道。此次任務(wù)則不同。如果把發(fā)射比作打靶，發(fā)射“天問一號”探測器就是在打移動靶，因為地球和火星的相對位置在不斷變化，只有不斷調(diào)整發(fā)射軌道，才能讓探測器入軌更精確，在奔火過程中節(jié)約燃料。為此，研制團隊共設(shè)計42條發(fā)射軌道，這在中國航天史上絕無僅有。

據(jù)專家介紹，長征五號系列火箭接下來會更加忙碌，比如，長征五號將繼續(xù)深空探測之旅，在年內(nèi)發(fā)射嫦娥五號月球探測器實現(xiàn)對月球樣本的采用返回；長征五號B火箭將作為空間站建設(shè)的“專屬列車”，在未來2-3年時間內(nèi)相繼完成空間站核心艙和實驗艙的發(fā)射?！?/p>

看點三：中國為何要去探火星

據(jù)公開數(shù)據(jù)統(tǒng)計，迄今為止，人類探火成功率很低?？v觀人類航天史，目前也僅有美國和蘇聯(lián)兩國曾成功實現(xiàn)登陸火星，其中美國的“海盜1號”和“海盜2號”火星探測器還是迄今為止唯一成功實現(xiàn)通過一次發(fā)射完成環(huán)繞探測和著陸探測的探測器。

然而，盡管探測火星是一項高風(fēng)險的嘗試，卻依舊讓傳統(tǒng)航天大國，乃至非傳統(tǒng)航天大國“趨之若鶩”,自1996年以來，幾乎每隔26個月的發(fā)射窗口都有火星探測器發(fā)射任務(wù)。而在2020年夏，就有三個國家的探測器會前往火星，分別是阿聯(lián)酋“希望”號、美國“火星-2020”和中國“天問一號”火星探測器。

既然探測火星“勝算”不到一半，為何如此多的國家還甘愿不計代價“放手一搏”呢？基于人類目前對于火星的認知，火星是離地球較近且環(huán)境最相似的星球，一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測的前站。在太陽系八大行星中，火星的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)與地球最為相近?；鹦侵饕怯晒杷猁}巖石構(gòu)成，有類似地球的巖石地表，火星擁有高山、平原和峽谷等多種地形，南方充滿隕石撞擊的高地和峽谷，北方則多是被熔巖填平的平原，由于自轉(zhuǎn)軸傾角和自轉(zhuǎn)周期與地球相近，火星的晝夜長短及四季變化與地球也幾乎一樣。

在以往探測中還發(fā)現(xiàn)，火星的表面似乎有液態(tài)水流過的痕跡，現(xiàn)有證據(jù)已表明有水冰存在于火星極地的冰蓋中。水的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)人們對于火星上是否存在孕育生命條件以及火星是地球過去還是地球未來的思考和探索，研究火星對認識地球演變具有非常重要的比較意義。此次中國首次火星探測任務(wù)，就將對火星的形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、火星表面物質(zhì)組成以及火星表面土壤特征與水冰分布展開研究。

此外，與地球類似的是，火星周圍也有大氣層。區(qū)別在于，火星大氣層的主要成分是二氧化碳，但是人類可以通過技術(shù)手段對火星進行“改造”，從火星大氣的二氧化碳中提取出氧氣，這樣不僅可以供人類呼吸，還能制成燃料。

而基于人類現(xiàn)有的航天能力，飛行時間8-10個月即可抵達火星，相比更遠的行星和衛(wèi)星，探索火星的任務(wù)周期更為合適。

因為火星與地球有著較為類似的環(huán)境和探火不超越人類技術(shù)能力的可行性，使得未來機器人或人類駐守火星成為可能。在載人登月之后，火星也被公認為是人類登陸行星的首選目標。

歐陽自遠院士認為，通過技術(shù)手段提高火星表面溫度、增加火星大氣濃度等，可以進一步建立火星表面生態(tài)環(huán)境。

不過，將火星改造成為一個適宜人類生存與發(fā)展的綠色星球的遠景是美好的，但具體實施起來十分不易，工程之浩大、成本之巨、技術(shù)難度之高、科學(xué)實施步驟之復(fù)雜是可想而知的，可能需要人類通過幾個世紀艱苦卓絕的努力才能實現(xiàn)?！?/p>

看點四：下個登陸火星的是誰

為了拓展第二家園，開發(fā)地外生存空間，從上世紀60年代開始，美國、蘇聯(lián)、歐洲以及日本等都競相開始探索火星的歷程。而在火星表面登陸則是探索火星中難上加難的任務(wù)，目前只有極少數(shù)國家的著陸器與火星車曾登陸火星表面。

中國“天問一號”探測器發(fā)射之后，按照計劃，美國“火星-2020”探測器也將攜帶“毅力”號火星車開啟火星之旅。到底哪個火星車與著陸器將成為著陸在火星表面的下一個航天器呢？根據(jù)中國官方日前發(fā)布的信息，中國首個火星車高度為1.85米，重約240公斤，設(shè)計壽命為3個火星月，相當(dāng)于92個地球日。專家表示，美國“火星-2020”火星探測器中除了“毅力”號火星車，還攜帶了世界第一架小型無人駕駛直升機“機智”號，它將前往火星車無法到達的區(qū)域勘察。

記者根據(jù)公開資料梳理了一下人類航天器登陸火星的案例。1971年5月，蘇聯(lián)發(fā)射“火星3號”探測器，其釋放的著陸器由于遭遇火星沙塵暴，在開始照相掃描22秒后與地球失去聯(lián)系。

1975年8月，美國“海盜1號”升空，其于次年7月釋放的著陸器順利落至火星表面，向地面?zhèn)骰夭噬掌?/p>

1996年12月，美國“火星探路者”號發(fā)射。次年7月，其所攜帶著陸器順利落至火星，釋放出“索杰納”號火星車，實現(xiàn)漫游考察并發(fā)現(xiàn)遠古水痕。

2003年，美國“勇氣”號和“機遇”號火星車分別于6月和7月發(fā)射升空。2010年“勇氣號”在服役6年后與地球失去聯(lián)系，“機遇”號則于2019年2月14日正式停止工作，為15年探索火星表面之旅畫上完美句號。

2011年11月，美國“好奇”號火星車發(fā)射升空。2012年8月，“好奇”號火星車在火星表面著陸，這是人類迄今在其他星球登陸的最精密移動科學(xué)實驗室。

2018年5月5日，美國“洞察”號著陸器成功發(fā)射，攜帶可深入星表下5米的鉆頭對火星進行深度鉆巖，并進行樣品成分就位分析，實現(xiàn)人類首次探究火星“內(nèi)心深處”的奧秘。

俄羅斯國家新聞社23日報道稱，俄羅斯齊奧爾科夫斯基航天研究院專家亞歷山大·熱列茲尼亞科夫贊賞中國在火星探索方面的成功時稱，此次中國發(fā)射火星探測器不是為了競爭，而是為了科學(xué)研究。熱列茲尼亞科夫稱，發(fā)射火星探測器對中國來說是里程碑事件，證明中國在航天領(lǐng)域不斷發(fā)展，不斷占據(jù)應(yīng)有的地位?！?/p>