共赴一場(chǎng)“逐火”盛宴

火星，是太陽(yáng)系由內(nèi)往外數(shù)的第四顆行星，也被科學(xué)家們認(rèn)為是唯一可能會(huì)適合人類移民移居的星球。從天文學(xué)的角度看，在很早之前火星是處在宜居帶中的，這也就說(shuō)明火星曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)生命。

7月23日13時(shí)25分，我國(guó)在海南島東北海岸中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)，用長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭成功發(fā)射首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器，成功將探測(cè)器送入預(yù)定軌道，開啟火星探測(cè)之旅，邁出了我國(guó)行星探測(cè)第一步。除了我國(guó)，世界上還有不少國(guó)家也已啟動(dòng)火星探測(cè)任務(wù)，美國(guó)、阿聯(lián)酋將計(jì)劃于近期發(fā)射火星探測(cè)器。

探“火”迎來(lái)窗口期

作為地球的鄰居，火星并不算是“近鄰”。地球赤道周長(zhǎng)約為4萬(wàn)千米，光速僅需約0.13秒便可環(huán)游。但地球與火星的距離在5600萬(wàn)～4億千米之間，這意味著就連光速單程可能都需要3～22分鐘。因此，探測(cè)火星需要選擇它與地球距離較近的時(shí)機(jī)。由于地球和火星都圍著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，怎樣才能有最近的距離呢？

全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩形象地比喻道：“這就像田徑賽跑，地球在里圈，繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)一圈約是365天，而火星在外圈，繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)一圈約是687天。地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)的速度快，火星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)的速度慢。如果太陽(yáng)在中間，火星和地球在兩邊的時(shí)候，它們的最遠(yuǎn)距離能達(dá)到4億千米以上，因此最好是在地球和火星距離比較近的時(shí)候發(fā)射，這樣就能讓人類“探火”之旅的“趕路”時(shí)間更短、所攜燃料更少、成本更加低廉。

地球、火星和太陽(yáng)排成一條線的時(shí)候是最近的距離，約為5600萬(wàn)千米。 然而，即便是這最短的飛行距離，探測(cè)器仍要經(jīng)歷一場(chǎng)“長(zhǎng)途旅行”。

中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張偉介紹，以我國(guó)此次發(fā)射的火星探測(cè)器為例，需要飛行200余天才能到達(dá)火星。

探測(cè)器“趕路”期間，地球和火星始終相對(duì)運(yùn)動(dòng)著。因此，探測(cè)器飛行軌道設(shè)計(jì)里頭藏著大學(xué)問(wèn)。

“火星探測(cè)器往往沿著地火之間的霍曼轉(zhuǎn)移軌道飛行。” 中科院國(guó)家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員劉勇說(shuō)。

7月23日，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空，實(shí)施我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)（天問(wèn)一號(hào)任務(wù)）（新華社 才揚(yáng) 攝）

霍曼轉(zhuǎn)移軌道由德國(guó)物理學(xué)家瓦爾特·霍曼提出，是一種變換航天器軌道方法的統(tǒng)稱，途中只需兩次引擎推進(jìn)，相對(duì)節(jié)省燃料。

劉勇指出，火星探測(cè)器發(fā)射升空后，先在地球附近加速，進(jìn)入橢圓形的霍曼轉(zhuǎn)移軌道慣性飛行，不需耗費(fèi)自身所攜燃料；等到達(dá)火星附近“剎車”減速，最終被火星捕獲。這就要求探測(cè)器發(fā)射時(shí)，火星和地球的相對(duì)位置必須提前計(jì)算好，使得探測(cè)器的霍曼轉(zhuǎn)移軌道能與火星公轉(zhuǎn)軌道在某一時(shí)刻相切。兩軌道的切點(diǎn)就是探測(cè)器將被火星軌道捕獲的空間位置，這一特定時(shí)刻就是探測(cè)器真正投入火星“懷抱”的時(shí)刻。

結(jié)合地球、火星的公轉(zhuǎn)周期，以及軌道設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，科學(xué)家通過(guò)詳細(xì)周密的計(jì)算得出，在地球上每隔約26個(gè)月是發(fā)射火星探測(cè)器的最好時(shí)機(jī)，窗口期由此而來(lái)。

如果錯(cuò)過(guò)今年7到8月這次窗口期，下次火星探測(cè)的好時(shí)機(jī)只能等到2022年。

對(duì)中國(guó)航天的一項(xiàng)全新挑戰(zhàn)

目前我國(guó)的火星探測(cè)計(jì)劃還需克服哪些困難？

中科院院士、中國(guó)航天科技集團(tuán)科技委主任包為民說(shuō)：“我們用長(zhǎng)征五號(hào)火箭，也就是新一代運(yùn)載火箭里面最大個(gè)的進(jìn)行發(fā)射。我們的火星探測(cè)器發(fā)射升空以后，在明年2月份將到達(dá)火星的引力磁場(chǎng)以內(nèi)，然后經(jīng)過(guò)火星的捕獲到達(dá)火星?！?/p>

據(jù)介紹，探測(cè)火星，需要突破深空超遠(yuǎn)距離測(cè)控通信、火星制動(dòng)捕獲、在軌長(zhǎng)期自主管理、稀薄大氣減速與安全著陸等一系列核心關(guān)鍵技術(shù)。那時(shí)，地球與火星距離約5600萬(wàn)千米，與地面測(cè)控站的往返“對(duì)話”會(huì)有較長(zhǎng)延時(shí)，而且傳遞的“聲音”將會(huì)非常微弱。因此，要實(shí)現(xiàn)如此遠(yuǎn)距離的有效通信，需要克服巨大的信號(hào)衰減、傳輸延時(shí)和外界干擾等因素，對(duì)中國(guó)航天而言是一項(xiàng)全新的挑戰(zhàn)。

此外，火星探測(cè)器在到達(dá)環(huán)繞火星的軌道之后，將降落在火星表面。這個(gè)過(guò)程為七八分鐘，這也是整個(gè)任務(wù)的難點(diǎn)所在。我國(guó)的火星探測(cè)器由環(huán)繞器和著陸巡視器兩部分組成，著陸巡視器將在火星表面軟著陸并釋放火星車，在火星表面進(jìn)行巡視勘測(cè)。由于火星探測(cè)器在奔火的途中一直處于高速飛行狀態(tài)，所以在著陸之前需要先將速度降下來(lái)。我國(guó)根據(jù)探月工程中的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)作為積累，將通過(guò)4個(gè)階段逐步減速，最終使探測(cè)器平穩(wěn)到達(dá)火星表面。包為民表示：“從4.8千米/秒的速度減到火星著陸的地方進(jìn)行懸停，這個(gè)過(guò)程要7到8分鐘，在這個(gè)時(shí)間段里有4個(gè)減速段，第一個(gè)是氣動(dòng)減速段，就是把速度從4.8千米/秒減到460米/秒，用時(shí)290秒左右。”

這就好像先進(jìn)行了一下急剎車，接下來(lái)探測(cè)器將打開降落傘，用90秒左右的時(shí)間將速度由460米/秒降到95米/秒，隨后進(jìn)入動(dòng)力減速段，探測(cè)器的反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開始工作，用80秒時(shí)間將速度減小到3.6米/秒。包為民說(shuō)：“剩下的100米我們還有一個(gè)懸停、避障。這時(shí)速度已經(jīng)很慢了，100米的時(shí)候進(jìn)行懸停。100米已經(jīng)比較低了，可以看一下地面有沒(méi)有坑、大的石頭，如果有我們就避開它，保證落地的安全性，不會(huì)翻車。”

去火星探究生命的起源

火星路遠(yuǎn)行艱，究竟是什么吸引著各國(guó)的科學(xué)家們，使多國(guó)耗費(fèi)如此大的人力物力發(fā)射探測(cè)器？

藍(lán)箭航天火箭研發(fā)中心總經(jīng)理戴政認(rèn)為，尋找火星是否存在或者曾經(jīng)存在生命的證據(jù)、解答生命起源的問(wèn)題和生命是否在宇宙中，是一種廣泛存在的問(wèn)題。同時(shí)，研究火星大氣和地質(zhì)等科學(xué)問(wèn)題，對(duì)地球的環(huán)境變遷變化也有借鑒意義。

中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院研究員陳杰則認(rèn)為，火星探測(cè)是航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志，我國(guó)首次自主的火星探測(cè)任務(wù)成功實(shí)施可進(jìn)一步縮短與美國(guó)、俄羅斯等在深空探測(cè)技術(shù)方面的差距，積累更多深空探測(cè)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)我國(guó)在行星探測(cè)、空間科學(xué)、空間技術(shù)等方面的發(fā)展，使我國(guó)躋身全球深空探測(cè)領(lǐng)先者行列。

陳杰介紹說(shuō)，從探測(cè)目標(biāo)上看，我國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”要實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”三個(gè)目標(biāo)，環(huán)繞火星探測(cè)、著陸火星并進(jìn)行巡視探測(cè)；美國(guó)的探測(cè)器主要是“落、巡”兩個(gè)目標(biāo)；阿聯(lián)酋則是“繞”一個(gè)目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測(cè)?！皩ⅰ@、落、巡’三種任務(wù)結(jié)合在一起，在世界上屬于首創(chuàng)。工程難度確實(shí)很大，但經(jīng)過(guò)艱苦努力解決了大量工程難題后，我們有信心、有把握完成這次探測(cè)任務(wù)。”陳杰說(shuō)。

據(jù)了解，到下一個(gè)火星探測(cè)窗口即2022年，歐盟與俄羅斯合作的“地外火星”任務(wù)將發(fā)射，去搜尋過(guò)去或現(xiàn)在（可能的）火星生命的生物特征。美國(guó)會(huì)發(fā)射火星樣本返回計(jì)劃，日本將發(fā)射火星衛(wèi)星樣本返回計(jì)劃。更有意思的是，各國(guó)都已經(jīng)開始長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃并布局最終將人類送上火星的任務(wù)。

“這些任務(wù)都值得期待。人類探測(cè)火星的步伐一直在持續(xù)，還將繼續(xù)持續(xù)下去?！标惤苷f(shuō)。