天問一號，下一站火星

毛新愿

2000多年前的一天，中國古代著名詩人、政治家屈原面對浩瀚星辰發(fā)出了《天問》的慨嘆。在這首長詩中，他探討日月星辰和天地萬物的變遷，表現(xiàn)出為追求真理不斷探索的宏大精神，尤其是那一句“九天之際，安放安屬”更成為中華民族穿越古今的宇宙究極之問。而今，屈原的千年之問，將由中國航天人來解答。

在2020年4月24日中國航天日這一天，中國首次將火星探測任務的名稱及標識正式對外公布?！疤靻枴北欢橹袊行翘綔y計劃的總稱。這個龐大計劃的首個任務，就是天問一號的火星探測任務。

7月23日，海南文昌航天發(fā)射場，長征五號遙四運載火箭成功發(fā)射，將天問一號送入預定軌道。從這一刻開始，天問一號踏上了前往火星的漫漫征程。

為什么是火星

隨著人類于20世紀50年代邁入航天時代，人類數(shù)萬年來征服太空的夢想終于成為現(xiàn)實，對于宇宙的研究也突飛猛進。尤其是近代天文學家對系外行星的研究，證明地球這種處在宜居帶內(nèi)的行星并不罕見，甚至是廣泛存在的。遺憾的是，目前人類的航天能力依然有限，遠遠不能探測那些基于太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)的星球。為了人類的長遠未來，邁入更遠的宇宙深處將是人類最遠大的目標。人類航天發(fā)展幾十年來，載人任務依然無法突破地月系統(tǒng)進入行星際，下一步突破載人探測行星技術(shù)是必然選擇。

地球有兩個鄰居：金星和火星。金星已被證實是一個常年表面溫度超過460℃、大氣壓是地球海平面氣壓90余倍的擁有惡劣的高溫高壓環(huán)境的星球，空氣中彌漫著各類有毒硫化物，幾乎沒有探測開發(fā)的價值。相較而言，另一個鄰居火星溫度適宜、廣泛存在水、保有稀薄空氣、引力較小，無論從哪方面來看都非常適合成為人類載人深空探測的下一站。因此，世界載人航天大國，如美國、中國和俄羅斯都把登陸火星作為行星際載人深空探測的首選目標。一些快速崛起的商業(yè)航天公司，如太空探索技術(shù)公司（SpaceX）和藍色起源（Blue Origin），都把載人登陸火星作為終極目標。

從飛掠、環(huán)繞到著陸、巡視

然而，探測火星的難度極大。它與地球的距離在0.5億～4億千米之間變化，即便是光速往返也需要6～40分鐘。地球與火星每隔780天才有一次會合機會，只有在會合前幾個月的時間窗口才適合開展火星探測，而且這意味著單程便需6～11個月的探測周期。在茫茫深空中，“失之毫厘，謬以千里”。人類火星探測進行了60年，探測成功率還不足一半，難度可想而知。

火星探測任務主要有4種：

1.飛掠任務。這主要是20世紀60年代開展的早期火星探測任務。由于當時探測器自身推進系統(tǒng)能力有限，軌道控制和定位精度不足，很難通過自身力量制動環(huán)繞火星，因而僅能在太空中飛行數(shù)月后與火星擦肩而過，隨后便頭也不回地滑入深空。最著名的是1964年11月28日發(fā)射的水手4號探測器，它拍下了最早的火星照片。

2.環(huán)繞任務。隨著技術(shù)的進步，探測器靠近火星后已經(jīng)可以依靠自身動力制動進入環(huán)繞火星的大橢圓軌道，甚至后來的近圓形軌道。由于長期環(huán)繞火星，探測器能采集海量的數(shù)據(jù)，可以全方位研究火星的磁場、大氣層、重力場、淺層土壤等，極大豐富了人類對火星的認知。此外，環(huán)繞/軌道器還能起到至關(guān)重要的信號中繼作用，服務于降落在火星表面的著陸器和巡視器。其中著名的是2001年發(fā)射的火星奧德賽號探測器，它已經(jīng)工作了19年，且這個數(shù)據(jù)還在不斷延長！

3.著陸任務。著陸任務的最大優(yōu)勢是能仔細研究火星表面的各種細節(jié)，尤其是對水、土壤成分、地表地貌、潛在有機物和深層土壤的研究。需要說明的是，由于重量和能量限制，著陸器自身不可能攜帶巨大的天線與地球直接聯(lián)絡，它僅能將所有信息發(fā)給火星上空的環(huán)繞器，讓其代為轉(zhuǎn)發(fā)。著名的如2018年發(fā)射的洞察者號著陸探測器，它所攜帶的儀器可以深入火星內(nèi)部數(shù)米，研究火星內(nèi)部的熱流和地震等。

4.巡視任務。巡視器也叫火星車，相比不能移動的著陸器而言，它最大的優(yōu)勢在于可以隨處移動，其意義不言而喻。火星車是近些年火星探測的核心，復雜程度越來越高，待機工作時間也越來越長。最著名的莫過于價值超過25億美元的好奇號火星車，由于采用放射性同位素電機（又名核電池）為主要動力，它可以全天候工作，且超長待機。好奇號目前已經(jīng)在火星上工作了8年時間，還會長期工作下去。

2020年7、8月，人類又迎來一次火星探測機會。7月20日，阿聯(lián)酋的希望號火星探測器率先出發(fā)，在日本種子島太空中心由日本H-2A運載火箭送入太空；7月23日，中國的天問一號在海南文昌航天發(fā)射場用長征五號遙四運載火箭發(fā)射成功。7月30日，美國的毅力號火星車和機智號直升機組合體發(fā)射成功。

由于探測火星的成本極高，所以應該基于技術(shù)積累和成本投入，最大限度地收獲工程和科學回報。中國已經(jīng)通過嫦娥系列月球探測任務積累了深空探測器環(huán)繞、著陸和巡視的豐富經(jīng)驗，各項任務取得了圓滿成功。在此基礎(chǔ)上，天問一號最終選擇了集“繞”“著”“巡”三大任務主線為一體，這有一定的必要性，當然也具有挑戰(zhàn)性。

“繞”的重要性無可取代，環(huán)繞器是全面研究火星最重要的載荷平臺，也是服務于著陸器和巡視器的信號中轉(zhuǎn)站，它是整個任務的基礎(chǔ)。而“著”和“巡”則是緊跟國際最高水平，是獲得國際先進科研成果的基本保證。行星著陸技術(shù)也是航天大國必須掌握的核心技術(shù)。三大功能任務放在一起，體現(xiàn)了中國航天歷來具有的高質(zhì)、高效的特點。

火星探測有多難

火星探測難度很大，代表了人類航天發(fā)展現(xiàn)階段最高的技術(shù)難度。天問一號面對的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在：

1.需要抓住難得的探測機會。即便是派出人類最快的探測器前往火星，也需要老老實實等待每隔780天才出現(xiàn)一次的機會，一旦錯過就需要再等待26個月，因此必須保證任務按時發(fā)射。如果延期，除時間成本之外，還有巨額的探測器保管和維護成本。

2.需要強力火箭。探測器要實現(xiàn)環(huán)繞地球運動，需要擺脫空氣和一部分地球引力的影響；如果想要前往更高軌道甚至前往月球，需要擺脫更多的地球引力的影響；如果前往火星，不僅需要完全擺脫地球引力的影響，還需要擺脫強大的太陽引力的影響。這意味著更強大的火箭是探測火星的先決條件。

3.軌道設計復雜。由于火箭依然局限于化學推進劑，能力有限，所以探測器飛往火星之旅只能選擇“霍曼轉(zhuǎn)移”—一種變換探測器軌道的方式，或其略微改進版—“快速合點航線”。但這個過程耗時普遍在6～11個月，遠遠長于地月之間的3天左右。同時，這些線路會受到太陽系內(nèi)多個天體的擾動，還有太陽風、空間輻射等的復雜影響。此外，火星與地球并不處在同一平面內(nèi)。深空探測任務往往“失之毫厘，謬以千里”，軌道設計難度可想而知。

4.探測器必須功能強大。一方面，探測火星的成本極高，如果只是進行簡單工程驗證并不值得，必須搭載各種科學儀器才能換回相應價值。另一方面，由于距離問題，探測器的深空通信、自主導航制導控制和自我故障檢測修復等功能必須獨立且強大，這進一步推高了成本。

5.抵達火星很難。探測器到達火星附近后，需要被火星引力俘獲。相比于地球，火星只是個小不點，質(zhì)量僅有地球的10.7%，引力影響范圍很小，這要求探測器必須精準切入環(huán)繞火星軌道。同時，必須擁有強大的變軌能力，這又大幅增加了燃料需求。

6.需要復雜的地面設施?；鹦翘綔y任務非常遙遠，且與地球通信時間極其寶貴，這要求地球上必須有全天域覆蓋的強大深空通信網(wǎng)絡。

由此可見，火星探測的難度極大。幾十年統(tǒng)計下來，火星探測成功率還不足一半。早期的成功率更是慘不忍睹，蘇聯(lián)/俄羅斯進行了近20次火星探測任務，但沒有一次取得完全成功。即便是后來占據(jù)領(lǐng)先地位的美國，也是在進入21世紀前后，才獲得比較高的成功率。

上述所說的，僅僅是實現(xiàn)環(huán)繞火星的難點，要完成降落火星的任務，還需要克服一系列更復雜的問題。最大的挑戰(zhàn)在于火星大氣。火星僅擁有極其稀薄的大氣，大氣密度甚至不足地球海平面大氣平均密度的1%，這真讓科學家又愛又恨。愛在于：火星雖然大氣稀薄，但又不像月球一樣近乎真空，科學家可以利用大氣摩擦力對探測器進行減速。恨在于：大氣摩擦會產(chǎn)生高達2000℃的高溫；但大氣的密度又不足以讓著陸器完全減速，到最后還是需要反沖火箭發(fā)動機配合以實現(xiàn)懸停、避障、降落。因而，一個火星著陸器既需要隔熱罩隔絕熱量，也需要配備減速器、降落傘進一步減速，同時還要反沖發(fā)動機聯(lián)合工作，幾乎集齊了人類現(xiàn)有的各種降落技術(shù)，整體設計難度陡增。