火星誘惑：中國“天問”出征，首次探測(cè)火星

7月23日12時(shí)41分，中國首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”探測(cè)器搭乘著長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，經(jīng)過半個(gè)多小時(shí)的飛行后，探測(cè)器成功進(jìn)入預(yù)定軌道，開啟了漫長的火星之旅?！疤靻栆惶?hào)”的成功發(fā)射，拉開了中國航天事業(yè)的新篇章。事實(shí)上，“天問一號(hào)”并不是中國第一顆火星探測(cè)器，早在2011年11月9日，中國研制的“螢火一號(hào)”火星探測(cè)器曾搭載俄羅斯的火箭飛往火星，但遺憾的是，該發(fā)射任務(wù)以失敗告終。

隨后，中國的火星探測(cè)沉寂多年，直至2016年1月，中國首次火星探測(cè)任務(wù)得到國家批準(zhǔn)立項(xiàng)，今年4月，國家航天局宣布將我國火星探測(cè)任務(wù)命名為“天問”，這才有了今天的“天問一號(hào)”飛天。而與“螢火一號(hào)”相比，“天問一號(hào)”的意義將更加重大，因?yàn)樗侵袊灾靼l(fā)射的首顆火星探測(cè)器。

按照規(guī)劃，”天問一號(hào)“將通過一次發(fā)射任務(wù)便實(shí)現(xiàn)火星的環(huán)繞、著陸和巡視。如果成功，中國也將成為繼美國之后，第二個(gè)獨(dú)立掌握火星著陸巡視探測(cè)技術(shù)的國家。

人類對(duì)火星的探測(cè)起步于20世紀(jì)60年代，截至目前共實(shí)施了44次活動(dòng)(2020年7月20日發(fā)射的阿聯(lián)酋希望號(hào)火星探測(cè)器正在飛行途中)，其中，美國21次，蘇聯(lián)/俄羅斯19次，日本1次，歐洲空間局2次，印度1次。在所有的任務(wù)當(dāng)中，完全成功或部分成功的只有23次，成功率剛剛過半，因此，火星也被稱作是“探測(cè)器墳場(chǎng)”。

可即便如此，人類對(duì)火星探索的腳步卻從未停止。這是因?yàn)樵谔栂抵?，火星是距離地球較近且自然環(huán)境與地球最為類似的行星，所以它也成為人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測(cè)的首選目標(biāo)。

不僅如此，近年來在火星上取得的一系列重大發(fā)現(xiàn)，也更加堅(jiān)定了人類前往火星的信念。比如人類發(fā)現(xiàn)了火星表面存在液態(tài)水、遠(yuǎn)古湖泊以及極光現(xiàn)象等。2018年，歐洲空間局的“火星快車(Mars Express)”更是在火星上發(fā)現(xiàn)了疑似地下水湖，這大大增加了火星存在更多水乃至生命的可能性。

面對(duì)如此精彩的火星，中國航天自然也不會(huì)缺席?！疤靻枴钡拿衷从谇L詩《天問》，這首詩表達(dá)了屈原追求真理的探索精神，而這，也與中國深空探測(cè)系列任務(wù)的精神不謀而合。

但是，火星探測(cè)之路任重道遠(yuǎn)，眼下的成功發(fā)射，只能代表“天問一號(hào)”的火星之旅順利開啟，接下來，“天問一號(hào)”在成功著陸火星之前，還有更多高風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)需要完成。

火星的誘惑

與月球相比，火星距離地球過于遙遠(yuǎn)。月球與地球的距離約在36至40萬公里之間，而火星距離地球約在5600萬至4億公里之間，地火最遠(yuǎn)距離約為地月距離的1000倍。

一位航天領(lǐng)域?qū)＜腋嬖V21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者，遙遠(yuǎn)的距離，給火星探測(cè)帶來了諸多全新的挑戰(zhàn)，首先是在發(fā)射窗口方面，理論上月球探測(cè)每個(gè)月都有發(fā)射機(jī)會(huì)，而火星探測(cè)每26個(gè)月才出現(xiàn)一次發(fā)射機(jī)會(huì)。

其次，是地球與火星之間的無線電信號(hào)傳輸時(shí)延最長可達(dá)23分鐘，而地球和月球之間的時(shí)延僅有數(shù)秒，這種差異對(duì)天地測(cè)控通信能力和探測(cè)器自主運(yùn)行能力都提出了更高的要求。此外，因?yàn)榛鹦蔷嚯x太陽比地球和月球都更遠(yuǎn)，這使得火星探測(cè)器還要考慮能源獲取及熱控方面的問題。

顯然，與月球探測(cè)相比，火星探測(cè)的難度要提升好幾個(gè)量級(jí)。而對(duì)中國來說，“天問一號(hào)”還要一步實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”三大任務(wù)，在此之前，還沒有國家實(shí)現(xiàn)過這一壯舉，所以，“天問一號(hào)”的任務(wù)難度是難上加難。

火星探測(cè)任務(wù)可分為發(fā)射、巡航、進(jìn)入下降和著陸、表面操作四個(gè)階段。其中，進(jìn)入下降和著陸階段是風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)。

航天專家龐之浩曾向21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者表示，探測(cè)器進(jìn)入火星軌道的難度好比從巴黎打一個(gè)高爾夫球，要正好落到東京的某個(gè)球洞里。

尤其是在執(zhí)行近火捕獲、兩器分離等軌道控制時(shí)，這些操作將決定任務(wù)成敗且只有一次機(jī)會(huì)，但此時(shí)探測(cè)器距離地球約3億公里，信號(hào)時(shí)延在15分鐘以上，依靠地面進(jìn)行控制已不現(xiàn)實(shí)，所以必須把所有數(shù)據(jù)都提前注入，讓探測(cè)器自主完成。

“這對(duì)探測(cè)器的自主管理和控制能力都是極大的考驗(yàn)?！庇惺煜ず教祛I(lǐng)域的人士告訴記者，這時(shí)候不能出現(xiàn)一絲偏差，在探測(cè)器切入火星軌道過程中，如果切入點(diǎn)離火星過遠(yuǎn)，則不能被火星的引力捕獲而掠過火星，如果切入點(diǎn)離火星太近，則可能墜毀于火星大氣層。

而進(jìn)入火星軌道后，下降和著陸階段的難度將更大。正常情況下，探測(cè)器從進(jìn)入火星大氣層到最終著陸，只需要7分鐘左右時(shí)間，這也被稱作是“恐怖7分鐘”。

之所以恐怖，是因?yàn)檫@個(gè)過程中涉及到上千個(gè)復(fù)雜操作，而且和近火捕獲一樣，這些操作都只能通過預(yù)先設(shè)置，然后靠著陸器自主完成。而且與月球表面幾乎為真空不同，火星表面擁有大氣層，密度約為地球的1%，同時(shí)，火星上還存在強(qiáng)風(fēng)和沙塵天氣，這些都使得火星著陸更為困難，需要增加氣動(dòng)減速和傘系減速等環(huán)節(jié)。

為了克服這些挑戰(zhàn)，中國航天在過去幾年作了無數(shù)的努力。其中，像成功完成的“鵲橋號(hào)+嫦娥四號(hào)+玉兔二號(hào)”的探月組合，也為火星探測(cè)打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2019年11月14日，中國首次火星探測(cè)任務(wù)著陸器懸停避障試驗(yàn)在河北懷來地外天體著陸綜合試驗(yàn)場(chǎng)完成，該試驗(yàn)成功模擬了著陸器在火星環(huán)境下懸停、避障、緩速下降過程;今年3月，火星探測(cè)任務(wù)的無線聯(lián)試也圓滿完成。至此，“天問一號(hào)”整裝待發(fā)。

“天問”之旅

據(jù)悉，“天問一號(hào)”任務(wù)主要由探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、地面應(yīng)用五大系統(tǒng)組成。其中。探測(cè)器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，總質(zhì)量約5噸。

在環(huán)繞器中，配置了7臺(tái)科學(xué)載荷，具體包括中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)、火星礦物光譜探測(cè)儀、火星磁強(qiáng)計(jì)、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀，

而著陸巡視器則是由進(jìn)入艙和火星車組成。按照計(jì)劃，進(jìn)入艙將完成火星進(jìn)入、下降、著陸任務(wù)，火星車則會(huì)在著陸區(qū)開展巡視探測(cè)。在火星車上，將配置多光譜相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)、火星表面成分探測(cè)儀、火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀、火星氣象測(cè)量儀、地形相機(jī)共6臺(tái)科學(xué)載荷。

按照計(jì)劃，長征五號(hào)運(yùn)載火箭將帶著“天問一號(hào)”飛行約7個(gè)月后抵達(dá)地火轉(zhuǎn)移軌道，2021年2月中下旬，探測(cè)器與運(yùn)載火箭進(jìn)行分離，然后經(jīng)過中途修正，在近火點(diǎn)附近實(shí)施制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)火星捕獲。

緊接著，“天問一號(hào)”會(huì)進(jìn)入周期約10個(gè)火星日的環(huán)火橢圓軌道，再擇機(jī)實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)，然后進(jìn)入周期約2個(gè)火星日的橢圓停泊軌道，這個(gè)過程需要約2個(gè)月。

接下來，預(yù)計(jì)在2021年4月23日，“天問一號(hào)”會(huì)在完成著陸區(qū)預(yù)先探測(cè)和著陸點(diǎn)調(diào)整后，擇機(jī)釋放著陸巡視器，而環(huán)繞器會(huì)隨即進(jìn)行軌道調(diào)整，進(jìn)入中繼通信軌道，為火星車提供中繼通信鏈路，兼顧開展科學(xué)探測(cè)。

著陸巡視器與環(huán)繞器分離后，進(jìn)入火星大氣，通過氣動(dòng)外形、降落傘、反推發(fā)動(dòng)機(jī)等多級(jí)減速和著陸腿緩沖，實(shí)現(xiàn)軟著陸。然后火星車會(huì)與承載平臺(tái)分離，在火星表面開展巡視科學(xué)探測(cè)。

過去，成功著陸的探測(cè)器都在火星獲得了回報(bào)，比如“水手9號(hào)”發(fā)現(xiàn)了太陽系最高的奧林帕斯山和最長的水手峽谷;“全球勘探者號(hào)”發(fā)現(xiàn)了冰川、湖泊和水溝存在的痕跡;“奧德賽號(hào)”發(fā)現(xiàn)了廣泛存在的地下水分;“火星快車號(hào)”發(fā)現(xiàn)了巨大的地底湖泊;“好奇號(hào)”發(fā)現(xiàn)了甲烷類有機(jī)物存在的直接證據(jù)。

這次“天問一號(hào)”前往火星，也帶著五項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)：一是研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征。探測(cè)火星全球地形地貌特征，獲取典型地區(qū)高精度形貌數(shù)據(jù)，開展火星地質(zhì)構(gòu)造成因和演化研究。

二是研究火星表面土壤特征與水冰分布。探測(cè)火星土壤種類、風(fēng)化沉積特征和全球分布，搜尋水冰信息，開展火星土壤剖面分層結(jié)構(gòu)研究。

三是研究火星表面物質(zhì)組成。識(shí)別火星表面巖石類型，探查火星表面次生礦物，開展表面礦物組成分析。

四是研究火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征。探測(cè)火星空間環(huán)境及火星表面氣溫、氣壓、風(fēng)場(chǎng)，開展火星電離層結(jié)構(gòu)和表面天氣季節(jié)性變化規(guī)律研究。

五是研究火星物理場(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探測(cè)火星磁場(chǎng)特性。開展火星早期地質(zhì)演化歷史及火星內(nèi)部質(zhì)量分布和重力場(chǎng)研究。

有航天從業(yè)者告訴記者，中國首次火星探測(cè)任務(wù)如果圓滿完成，無疑是中國航天的一個(gè)里程碑時(shí)刻，但也不宜過度夸大，因?yàn)樗荒艽碇袊教旒夹g(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)彎道超車，這實(shí)際上是將中國過去數(shù)十年的差距補(bǔ)了上來。

但“天問一號(hào)”的成功，將代表中國具備了進(jìn)一步開展深空探測(cè)的基礎(chǔ)能力，站在火星的肩膀，中國也可以開始規(guī)劃更遠(yuǎn)的太空旅程。而針對(duì)火星，下一目標(biāo)便是在2030年之前突破難度更大的采樣返回。

現(xiàn)在，我們需要給“天問一號(hào)”一些時(shí)間，等待它明年傳來捷報(bào)。

畫外音

盛夏的海南，熱浪襲人，但在距離文昌火箭發(fā)射場(chǎng)不遠(yuǎn)的淇水灣海灘上，仍有不少觀眾頂著烈日等待觀看“天問一號(hào)”發(fā)射。

因?yàn)椴皇煜がF(xiàn)場(chǎng)情況，雖然火箭預(yù)計(jì)12點(diǎn)多發(fā)射，但該游客在早上9點(diǎn)多就來到了現(xiàn)場(chǎng)。他向記者表示，海灘上有很多人比他來得還要早。

人大附中三亞分校的一位老師帶著幾十位學(xué)生前來觀看。他告訴記者，對(duì)于這種航天發(fā)射，只要允許觀眾觀看，他們學(xué)校都會(huì)組織學(xué)生過來。去年，他就曾帶過另外一個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)來過這里。

這位老師表示，帶學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)看火箭發(fā)射，對(duì)學(xué)生的好奇心和興趣培養(yǎng)都有很大的作用，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的感受肯定比在書本上或者電視機(jī)前更深刻。

而一位曾多次前來觀看發(fā)射的天文愛好者告訴記者，每次觀看火箭發(fā)射都十分激動(dòng)，尤其是點(diǎn)火發(fā)射的那一剎那，總會(huì)有熱淚盈眶的沖動(dòng)。

這位天文愛好者還表示，受疫情的影響，今天的現(xiàn)場(chǎng)人數(shù)明顯比去年“胖5”復(fù)飛時(shí)少了一些，“當(dāng)時(shí)沙灘上還有自發(fā)組織前來的樂團(tuán)演奏，場(chǎng)面十分熱鬧”。

另外，21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者在淇水灣沙灘還注意到，“天問一號(hào)”的發(fā)射也帶動(dòng)了不少商業(yè)活動(dòng)，比如現(xiàn)場(chǎng)，就有手表、汽車、地產(chǎn)、游戲等行業(yè)的品牌商搭建了活動(dòng)展臺(tái)。

而為了增加公眾對(duì)航天事業(yè)的參與感，很多航天項(xiàng)目都會(huì)進(jìn)行征名活動(dòng)，比如中國火星探測(cè)任務(wù)的名字“天問”，就是從全球征集而來。據(jù)記者了解，接下來，國家航天局探月與航天工程中心還將聯(lián)合百度App啟動(dòng)對(duì)中國第一輛火星車的全球征名活動(dòng)。

實(shí)際上，航天事業(yè)作為國家項(xiàng)目，與普通群眾相關(guān)的內(nèi)容十分有限，但是，就像比賽場(chǎng)上需要觀眾一樣，人們對(duì)航天事業(yè)的關(guān)注與熱情也能夠鼓舞航天人。中國首次火星探測(cè)任務(wù)如果圓滿完成，無疑是中國航天的一個(gè)里程碑時(shí)刻，代表中國航天技術(shù)將過去數(shù)十年的差距補(bǔ)了上來。