火星探測(cè)的中國(guó)之路

錢(qián)煒

目前中國(guó)的深空探測(cè)仍然通過(guò)院士專(zhuān)家向上打報(bào)告、提建議的形式，一事一議，逐一論證。而中國(guó)需要一個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)，對(duì)太空探索和航天事業(yè)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)、統(tǒng)一的規(guī)劃，在立項(xiàng)時(shí)就對(duì)整個(gè)太陽(yáng)系各種主要天體類(lèi)型有整體考慮

在今年4月公開(kāi)宣布火星探測(cè)任務(wù)正式立項(xiàng)之后，僅僅隔了4個(gè)月，2016年8月23日，中國(guó)就向公眾揭開(kāi)了首輛火星車(chē)的廬山真面目，并開(kāi)始向全球征集火星探測(cè)工程名稱(chēng)及圖形標(biāo)識(shí)。雖然中國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃的啟動(dòng)落在了印度與日本后面，但一旦邁開(kāi)獨(dú)立探索火星的腳步，就向外界展現(xiàn)出中國(guó)速度與非凡決心。

一再推遲的探火計(jì)劃

留心航天事業(yè)發(fā)展的人會(huì)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)的火星探測(cè)計(jì)劃一直在推遲，而科學(xué)家們卻對(duì)奔向火星揣著一顆“蠢蠢欲動(dòng)”的心。

2011年，神舟飛船總設(shè)計(jì)師、工程院院士戚發(fā)軔就向外界透露，中國(guó)航天界考慮在2013年發(fā)射首顆火星探測(cè)衛(wèi)星。當(dāng)時(shí)，他解釋說(shuō)，雖然這并非政府的正式?jīng)Q策，但是航天界已經(jīng)完全有能力成功發(fā)射火星探測(cè)衛(wèi)星。

8月26日，《中國(guó)新聞周刊》一撥通戚發(fā)軔的電話，這位一直掛記著中國(guó)探火計(jì)劃的航天界重量級(jí)人物就顯得很興奮，他表示，這件事總算敲定并有了實(shí)際進(jìn)展。實(shí)際上，早在2013年，戚發(fā)軔在接受媒體采訪時(shí)就表態(tài)，中國(guó)發(fā)射火星探測(cè)器的時(shí)間可能在2015年至2020年間。

對(duì)此，剛剛在今年5月首次獲得卡爾·薩根獎(jiǎng)的中科院國(guó)家天文臺(tái)副研究員鄭永春解釋說(shuō)，國(guó)內(nèi)科學(xué)界探測(cè)火星的起步其實(shí)并不晚，從上世紀(jì)90年代末就開(kāi)始醞釀。

根據(jù)繞月探測(cè)工程首席科學(xué)家、中科院院士歐陽(yáng)自遠(yuǎn)的回憶，2007年，嫦娥一號(hào)月球探測(cè)衛(wèi)星成功發(fā)射之后，他就聯(lián)合探月工程總設(shè)計(jì)師孫家棟院士及相關(guān)領(lǐng)域的其他專(zhuān)家，向有關(guān)部門(mén)提出建議：嫦娥二號(hào)不要去探月了，改為火星探測(cè)器。他們?cè)M織專(zhuān)家進(jìn)行了可行性論證，結(jié)論是，具備在2009年發(fā)射火星探測(cè)器的條件。很可惜，這一建議未被采納。

2007年，中國(guó)和俄羅斯簽署了“螢火一號(hào)”合作計(jì)劃?！拔灮鹨惶?hào)”搭載俄羅斯“福波斯—土壤”火星探測(cè)器，發(fā)射任務(wù)由2009年推遲到2011年11月，但最終因?yàn)椤案２ㄋ埂寥馈弊冘壊怀晒?，在地球大氣層中墜毀，“螢火一?hào)”計(jì)劃夭折。后來(lái)，中國(guó)自主火星計(jì)劃因各種非技術(shù)性原因遲遲未能立項(xiàng)。

另一方面，向火星發(fā)射探測(cè)器每隔26個(gè)月才有一次機(jī)會(huì)，一旦錯(cuò)過(guò)了發(fā)射窗口期就需要漫長(zhǎng)地等待下一次發(fā)射機(jī)會(huì)。這是因?yàn)?，理論上說(shuō)，火星發(fā)射的最佳軌道只有一條，即外切于地球公轉(zhuǎn)軌道、內(nèi)切于火星公轉(zhuǎn)軌道的雙切式橢圓軌道，又稱(chēng)為“霍曼軌道”。當(dāng)太陽(yáng)、地球、火星處于同一條直線上時(shí)，稱(chēng)為相沖，兩次相沖間隔的時(shí)間叫做會(huì)合周期?；鹦桥c地球的會(huì)合周期為780天，即將近26個(gè)月。也就是說(shuō)，每隔26個(gè)月才有一次沿“霍曼軌道”發(fā)射火星探測(cè)器的窗口期。

中國(guó)第一個(gè)火星探測(cè)器和火星車(chē)外觀設(shè)計(jì)構(gòu)型圖

根據(jù)國(guó)際深空探測(cè)的發(fā)展歷程，各國(guó)一般在開(kāi)展首次月球探測(cè)后的2～3年內(nèi)即開(kāi)展首次火星探測(cè)。比中國(guó)晚開(kāi)展月球探測(cè)的印度在2013年發(fā)射了火星探測(cè)器，次年，印度“曼加努安”火星發(fā)射探測(cè)器成功進(jìn)入火星軌道，成為繼美國(guó)、俄羅斯和歐空局后，第4個(gè)成功探測(cè)火星的國(guó)家和地區(qū)。

自中國(guó)首次探月成功至今已經(jīng)過(guò)去8年多。戚發(fā)軔告訴《中國(guó)新聞周刊》，探索火星需具備的技術(shù)條件最主要的就是運(yùn)載火箭與測(cè)控能力。中國(guó)新一代大型運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征五號(hào)”的近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到25噸，目前已研制完畢，今年9月即將上演“首飛秀”。

而與發(fā)射“螢火一號(hào)”時(shí)相比，中國(guó)深空測(cè)控能力也已大大增強(qiáng)。2012年，中國(guó)完成了喀什35米、佳木斯66米兩個(gè)大型深空測(cè)控站，以及上海65米甚長(zhǎng)線射電干涉測(cè)量站的建設(shè)。隨著這三大站投入使用，中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)已正式建成，這將有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)火星探測(cè)器的自主測(cè)控。

萬(wàn)事俱備只欠一聲令下。2016年4月22日，在中國(guó)首個(gè)航天日舉行的發(fā)布會(huì)上，國(guó)防科工局局長(zhǎng)、國(guó)家航天局局長(zhǎng)許達(dá)哲終于宣布，中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)正式立項(xiàng)。按照計(jì)劃，中國(guó)火星探測(cè)器使用“環(huán)繞、落地、巡視”一體的設(shè)計(jì)，將在2020年7月發(fā)射，并于2021年抵達(dá)火星。

談到中國(guó)火星探測(cè)在立項(xiàng)環(huán)節(jié)的波折，鄭永春表示，在深空探測(cè)領(lǐng)域，美國(guó)的國(guó)家航天航空局（NASA）對(duì)太陽(yáng)系的各個(gè)天體探測(cè)都有長(zhǎng)期規(guī)劃，并有相應(yīng)的經(jīng)費(fèi)比例。然而，目前中國(guó)的深空探測(cè)仍然通過(guò)院士專(zhuān)家向上打報(bào)告、提建議的形式，一事一議，逐一論證，這樣做往往各部門(mén)意見(jiàn)難以協(xié)調(diào)一致，決策難以出爐。而中國(guó)需要一個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)，對(duì)太空探索和航天事業(yè)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)、統(tǒng)一的規(guī)劃，在立項(xiàng)時(shí)就對(duì)整個(gè)太陽(yáng)系各種主要天體類(lèi)型（小行星、彗星、火星、金星、木星等）有整體考慮。

探火最難在著陸

自1960年蘇聯(lián)發(fā)射人類(lèi)首顆火星探測(cè)器開(kāi)始，截至今日，人類(lèi)共實(shí)施了43次火星探測(cè)活動(dòng)，其中取得完全成功和部分成功的共22次，成功率只有約一半。

在技術(shù)上，美國(guó)已全面掌握火星掠飛、環(huán)繞、著陸和巡視勘察技術(shù)，取得了火星探測(cè)史上多個(gè)“第一”，在世界上處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。在亞洲，日本只實(shí)現(xiàn)了火星掠飛，未進(jìn)入繞火星軌道。印度掌握了環(huán)繞探測(cè)技術(shù)，是亞洲第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測(cè)的國(guó)家。

在此形勢(shì)下，中國(guó)在世界上首次提出，火星探測(cè)要一次完成“繞、落、巡”三項(xiàng)任務(wù)。歐陽(yáng)自遠(yuǎn)2015年發(fā)表在《太空探索》上的一段話是中國(guó)做出這一決策的最好注腳：我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)必須堅(jiān)持在較高的起點(diǎn)開(kāi)展，才能盡量縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，同時(shí)，要具有創(chuàng)新性。早期的火星探測(cè)大多從環(huán)繞探測(cè)起步，逐漸發(fā)展到環(huán)繞和著陸探測(cè)相結(jié)合，近年來(lái)已經(jīng)發(fā)展到以巡視探測(cè)為主的階段。隨著我國(guó)航天技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)火星表面了解程度的加深，直接跳過(guò)單純環(huán)繞探測(cè)階段，將環(huán)繞探測(cè)與巡視探測(cè)相結(jié)合，是我國(guó)高起點(diǎn)開(kāi)展火星探測(cè)的理性選擇。

與探月相比，探測(cè)火星有很多新的難點(diǎn)，比如距離問(wèn)題。火星距離地球最近約為5500萬(wàn)千米，最遠(yuǎn)則超過(guò)4億多千米。月球與地球的距離最近為36.2萬(wàn)千米，最遠(yuǎn)40.6萬(wàn)千米。月球探測(cè)器發(fā)射后幾天就可到達(dá)，而到達(dá)火星則需要6～10個(gè)月。由于距離遙遠(yuǎn)，向火星發(fā)信號(hào)至少需要15分鐘才能到，信號(hào)返回還需要同樣的時(shí)間，距離帶來(lái)通信和測(cè)控問(wèn)題。因此，探火比探月麻煩。

火星探測(cè)器分成環(huán)繞器、著陸器與巡視器三大部分，其中巡視器（即火星車(chē)）包含在著陸器里面。當(dāng)火星環(huán)繞器攜帶著陸巡視器運(yùn)行到預(yù)定區(qū)域上空時(shí)，將與著陸巡視器分離。當(dāng)著陸巡視器降落在火星表面后，火星車(chē)才會(huì)啟動(dòng)并駛離著陸平臺(tái)，開(kāi)始火星表面的巡視探測(cè)任務(wù)。

中國(guó)航天科工集團(tuán)二院二部研究員、國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)委員楊宇光在接受《中國(guó)新聞周刊》采訪時(shí)表示，就環(huán)繞而言，中國(guó)在成功發(fā)射嫦娥二號(hào)之后，就已經(jīng)具備了環(huán)繞火星的技術(shù)能力，環(huán)繞的成功率是比較大的。而在著陸環(huán)節(jié)，歐空局之前的火星著陸嘗試失敗了，國(guó)際上實(shí)施火星著陸唯一比較成功的就是美國(guó)。雖然中國(guó)此前成功進(jìn)行了月球著陸，但月球與火星上的條件相差很遠(yuǎn)，火星著陸對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)可以說(shuō)是一次全新嘗試，因此，此次火星探測(cè)風(fēng)險(xiǎn)較大的就是著陸環(huán)節(jié)。

楊宇光舉例說(shuō)，月球上是完全真空，著陸器的設(shè)計(jì)條件比較簡(jiǎn)單，只要能量足夠，軟著陸就可以。而火星上有大氣，其密度是地球的百分之一，當(dāng)著陸器以一個(gè)很高的相對(duì)速度降落火星時(shí)，會(huì)與大氣摩擦，產(chǎn)生很多熱量。在一般地球軌道衛(wèi)星或者真空中運(yùn)行的航天器上，大多使用看起來(lái)金燦燦的熱控材料。為克服火星大氣產(chǎn)生的熱量，這次著陸器使用的熱控材料就是新型的保溫材料納米氣凝膠。這種材料很輕，有非常好的隔熱性能。

另一方面，火星大氣的密度又不足夠高，無(wú)法使著陸器減到足夠低的速度，因此光靠降落傘是沒(méi)法著陸的，必須依靠氣動(dòng)外形減速、降落傘減速與反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速三者結(jié)合起來(lái)才能完成。因此，火星大氣對(duì)于著陸來(lái)說(shuō)是“高不成，低不就”，兩頭都帶來(lái)了新的困難。

“航天工程的設(shè)計(jì)不怕難，不怕復(fù)雜，就怕未知的、不確定的風(fēng)險(xiǎn)。我們應(yīng)該有這樣的心理預(yù)期，不見(jiàn)得能夠一次性完成。但一次航天試驗(yàn)不可能都是成熟的東西，總要有新的嘗試。”楊宇光表示。

至于火星車(chē)，最大的難度是自主性要求高，因?yàn)榈鼗鹁嚯x遠(yuǎn)大于地月距離，無(wú)法完全靠地面干預(yù)。不過(guò)，火星車(chē)在技術(shù)上與探月的玉兔號(hào)類(lèi)似，有后者做基礎(chǔ)，且火星的條件要比月球好，因此巡視的難度要比著陸容易一些。由于火星有稀薄的大氣層，火星表面的日溫差沒(méi)有月球那么大。月球上晝夜溫差起伏很大：赤道周?chē)滋鞙囟瓤筛咧?00℃，夜晚又可低至-180℃。而火星的平均溫度與地球相差不大，在赤道區(qū)的晝夜溫度在20℃至-80℃之間，而最寒冷的極區(qū)的溫度變化范圍是-70℃至-140℃。月球晝夜將近28天，火星一晝夜比地球一晝夜稍長(zhǎng)，為24小時(shí)37分22.6秒，接近地球的一天。

在地形方面，火星地表高差雖然比較大，但表面的撞擊坑沒(méi)有月球上的多，平坦的地方多，著陸環(huán)境比月球優(yōu)越。嫦娥三號(hào)降落的地方4千米×4千米的范圍內(nèi)有1萬(wàn)多個(gè)幾米到幾百米的撞擊坑，很難落腳?；鹦呛驮虑虮砻骐m然都沒(méi)有液態(tài)水，但火星上有河道和干涸的湖泊，火星北半球曾經(jīng)是遼闊的海洋，整體環(huán)境比月球好。

探火的終極目標(biāo)

據(jù)官方公布的信息，火星車(chē)重約200公斤，比探月的玉兔號(hào)重100公斤，設(shè)計(jì)壽命是三個(gè)火星月，相當(dāng)于地球上的92天。在此期間，火星車(chē)面臨能源、保溫及對(duì)地通信三大生存問(wèn)題。中科院院士、火星探測(cè)器系統(tǒng)顧問(wèn)葉培建此前對(duì)媒體介紹說(shuō)，科研人員為火星車(chē)設(shè)計(jì)了四個(gè)面積較大的太陽(yáng)翼，如同四扇翅膀，可收集足夠的太陽(yáng)能，以供夜間保暖。此外，火星上局部和全球性的沙塵暴也將為火星車(chē)在火星表面上的巡視帶來(lái)困難，包括設(shè)計(jì)自主休眠和喚醒功能等。

火星車(chē)駛離著陸平臺(tái)后，將探測(cè)火星的形貌、土壤、環(huán)境、大氣，研究火星上的水冰分布、物理場(chǎng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為此，火星車(chē)搭載了13臺(tái)（套）科學(xué)載荷，包括不同分辨率的火星遙感相機(jī)，進(jìn)行火星淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)的淺層雷達(dá)等。

去年大熱的科幻電影《火星救援》形象逼真地展示了火星上的生存環(huán)境，并暗示人們：在火星上生存或許并非天方夜譚。實(shí)際上，移民火星，正是人類(lèi)探索火星的原動(dòng)力之一。畢竟，火星是目前科學(xué)家勘探到的環(huán)境最接近地球的星球。如果要尋找另外一個(gè)適合人類(lèi)居住的第二棲息地，火星肯定是第一候選。

中國(guó)人也對(duì)火星充滿期待。歐陽(yáng)自遠(yuǎn)曾在多年前寫(xiě)過(guò)一本科普著作《再造一個(gè)地球：人類(lèi)移民火星之路》。他相信，人類(lèi)只要下決心，經(jīng)過(guò)2～3個(gè)世紀(jì)的不懈努力，就一定能實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想。

盡管火星移民看起來(lái)還很遙遠(yuǎn)，人類(lèi)當(dāng)下對(duì)火星的探測(cè)，并非只是一項(xiàng)耗資巨大而沒(méi)有實(shí)際意義的太空探險(xiǎn)。在整個(gè)太陽(yáng)系，只有金星與火星跟地球距離最近?？茖W(xué)界有這樣一個(gè)分析，地球的未來(lái)要么像金星那樣，要么和火星類(lèi)似。因此，研究火星的演化，可以幫助人類(lèi)更好地研究生命的起源、地球的演變與未來(lái)發(fā)展。而人類(lèi)之所以對(duì)研究火星的興趣更大，可能還有一個(gè)實(shí)際因素：金星上非常熱，有400多度的高溫，90多倍的地球大氣壓，所以人類(lèi)在金星上基本不可能實(shí)現(xiàn)載人登陸，也不可能在那里生存。

楊宇光表示，中國(guó)探測(cè)火星還有更加實(shí)際的作用?；鹦堑臈l件和月球不一樣，探火所需要的工程技術(shù)與探月也不一樣。通過(guò)解決這些工程問(wèn)題，可以帶動(dòng)國(guó)家的科技發(fā)展。

美國(guó)阿波羅計(jì)劃就是很好的例子。該工程投資254億美元（相當(dāng)于現(xiàn)在的1360億美元），是當(dāng)時(shí)世界上規(guī)模最大、耗資最多的科技項(xiàng)目之一。參加阿波羅計(jì)劃的有2萬(wàn)家企業(yè)、200多所大學(xué)、80多個(gè)科研機(jī)構(gòu)，總?cè)藬?shù)超過(guò)40萬(wàn)人。它的出現(xiàn)，導(dǎo)致上世紀(jì)60至70年代產(chǎn)生了液體燃料火箭、微波雷達(dá)、無(wú)線電制導(dǎo)、合成材料、計(jì)算機(jī)等一大批高科技工業(yè)群體。后來(lái)，美國(guó)又將該計(jì)劃中取得的技術(shù)進(jìn)步成果向民用轉(zhuǎn)移，帶動(dòng)了整個(gè)科技的發(fā)展與工業(yè)的繁榮。阿波羅計(jì)劃派生出了大約3000種應(yīng)用技術(shù)成果，據(jù)測(cè)算，投入產(chǎn)出比為1：14，是一項(xiàng)成功推動(dòng)科技進(jìn)步并獲得巨大政治與經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)劃。

“除了月球之外，中國(guó)完全有能力探測(cè)整個(gè)太陽(yáng)系。”歐陽(yáng)自遠(yuǎn)曾這樣明確表態(tài)。鄭永春則表示，除了繼續(xù)探索月球與火星，下一步小行星或許也將進(jìn)入到中國(guó)航天計(jì)劃的視野范圍內(nèi)。