下一站，火星

段崴 陳建 王蘊(yùn)聰

首次火星探測(cè)任務(wù)低調(diào)研發(fā)數(shù)年之后，在2020年4月24日中國(guó)航天日正式獲得命名：天問(wèn)一號(hào)?！疤靻?wèn)”取自屈原長(zhǎng)詩(shī)《天問(wèn)》，“日月安屬，列星安陳”，叩問(wèn)了大量天文現(xiàn)象和歷史事件，表達(dá)了對(duì)真理的求索，也與深空探測(cè)氣質(zhì)相符。

2020年7月23日，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)啟程。中國(guó)拉開(kāi)了向更遙遠(yuǎn)的深空探測(cè)的序幕—開(kāi)啟火星探測(cè)之旅。

7月23日12時(shí)41分，長(zhǎng)征五號(hào)遙四火箭的點(diǎn)火升空，飛行2000多秒后，成功將“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器送入預(yù)定軌道。中國(guó)將通過(guò)一次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”（火星環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)）三大任務(wù)，這在世界航天史上尚屬首次，同時(shí)也邁出了中國(guó)自主開(kāi)展行星探測(cè)的第一步。

“天問(wèn)一號(hào)”啟程“探火”

7月23日，海南海濱的文昌發(fā)射場(chǎng)，昵稱“胖五”的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭迎來(lái)第四次發(fā)射。與它的前三次發(fā)射一樣，在距離發(fā)射塔架數(shù)公里的海灘邊，來(lái)自全國(guó)各地的航天愛(ài)好者匯聚于此，等待點(diǎn)火發(fā)射的瞬間。

“長(zhǎng)征5號(hào)”是中國(guó)目前運(yùn)載能力最大的火箭，也幾乎是最年輕的長(zhǎng)征火箭，它的每一次發(fā)射都是航天界的大事。尚在研制階段時(shí)，未來(lái)的任務(wù)清單上就寫滿了“明星”項(xiàng)目：嫦娥五號(hào)月球采樣、空間站組建……這次任務(wù)的目的地是火星，中國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”正式實(shí)施。這次任務(wù)也是長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭首次應(yīng)用性發(fā)射，也是中國(guó)運(yùn)載火箭首次執(zhí)行地球-火星轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射任務(wù)。

如果以飛行的距離劃分中國(guó)太空探索史，進(jìn)入地球軌道是第一步，從地球軌道拓展到月球軌道是第二步，此次突破地月空間，到達(dá)另一顆行星，則是又一次跨越。

為了能將探測(cè)器直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道，“胖五”以超過(guò)第二宇宙速度的11.2千米/秒，飛出中國(guó)火箭最快速度。這一速度被稱為第二宇宙速度，也被稱為“逃逸速度”。航天器只有達(dá)到該速度，才能完全擺脫地球引力，飛向太陽(yáng)系內(nèi)的其他行星。

根據(jù)計(jì)劃，在地火轉(zhuǎn)移軌道經(jīng)過(guò)約7個(gè)月的飛行，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器將到達(dá)火星附近，通過(guò)“剎車”完成火星捕獲制動(dòng)，進(jìn)入環(huán)火星軌道。再經(jīng)過(guò)約3個(gè)月的環(huán)繞飛行后，將于2021年5月?lián)駲C(jī)實(shí)施降軌機(jī)動(dòng)。著陸巡視器與環(huán)繞器分離后，環(huán)繞器升軌返回至停泊軌道，為著陸過(guò)程提供中繼通信；著陸巡視器將在火星烏托邦平原南部預(yù)定區(qū)域?qū)嵤┸浿憽?/p>

“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器如何成功被火星的引力場(chǎng)捕獲，是任務(wù)中的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

在首次火星探測(cè)任務(wù)中，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)行巡視探測(cè)?；鹦擒噷⑼Ａ?0個(gè)火星日（一個(gè)火星日約為地球上24小時(shí)37分鐘），開(kāi)展巡視探測(cè)、火星地貌特征研究等多項(xiàng)任務(wù)。

探測(cè)器在“奔火”的途中一直處于高速飛行狀態(tài)，在著陸之前，需要先將速度從4.8公里/秒，降至著陸時(shí)的0。這個(gè)過(guò)程大概需要7—8分鐘，分4個(gè)減速段。雖然時(shí)間短，但卻是整個(gè)任務(wù)成功與否的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

第一個(gè)階段是氣動(dòng)減速段，探測(cè)器會(huì)踩下“急剎車”。

第二個(gè)階段探測(cè)器將打開(kāi)降落傘。

第三個(gè)階段進(jìn)入到動(dòng)力減速段，探測(cè)器的反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開(kāi)始工作。

第四個(gè)階段在最后的100米還有一個(gè)懸停避障，即著陸緩沖段，這個(gè)時(shí)候的速度相對(duì)于地面速度0。在最后的著陸階段，探測(cè)器通過(guò)懸停在空中，此時(shí)探測(cè)器的速度已經(jīng)很慢了，探測(cè)器會(huì)自主觀察火星表面，快速計(jì)算出最佳著陸點(diǎn)。最終它將水平移動(dòng)到該點(diǎn)上方，伸出“四條腿”，并在穩(wěn)定著陸后展開(kāi)舷梯釋放火星車。

中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)新聞發(fā)言人、國(guó)家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤杰表示，此次火星探測(cè)任務(wù)的工程目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測(cè)和巡視探測(cè)，獲取火星探測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)跨越；同時(shí)建立獨(dú)立自主的深空探測(cè)工程體系，推動(dòng)中國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

在工程方面，首次火星探測(cè)任務(wù)的目標(biāo)，一是突破火星制動(dòng)捕獲、軟著陸、長(zhǎng)期自主管控、遠(yuǎn)距離測(cè)控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測(cè)和巡視探測(cè)，獲取火星探測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)跨越；二是建立完整配套的深空探測(cè)工程體系，推動(dòng)中國(guó)深空探測(cè)可持續(xù)發(fā)展。

為什么是火星？

受天體運(yùn)行規(guī)律約束，火星探測(cè)窗口每26個(gè)月一次，并且窗口時(shí)間較短。從1960年蘇聯(lián)發(fā)射首顆火星探測(cè)器至今，人類已經(jīng)發(fā)射了近50顆火星探測(cè)器。1996年以來(lái)，幾乎每個(gè)發(fā)射窗口都有火星探測(cè)器發(fā)射，今年更是迎來(lái)了多國(guó)齊聚火星發(fā)射窗口。為什么人類對(duì)火星如此“情有獨(dú)鐘”呢？

深空探測(cè)是了解太陽(yáng)系及其各層次天體形成與演化、生命溯源等一系列重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的最有效手段，是人類進(jìn)行空間資源開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)地球的重要途徑。因其可能是地外生命探索的主要目標(biāo)天體及其可宜居等獨(dú)特性質(zhì)，成為各國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)和生長(zhǎng)點(diǎn)?；鹦翘綔y(cè)，可以說(shuō)是當(dāng)前行星探測(cè)的重點(diǎn)目標(biāo)。

火星探測(cè)在技術(shù)上并不容易，曾經(jīng)一直是美國(guó)、蘇聯(lián)這樣的超級(jí)大國(guó)的專屬領(lǐng)域。在這近50次的火星探測(cè)活動(dòng)中，成功和部分成功的任務(wù)僅有22次，目前僅有美國(guó)成功實(shí)現(xiàn)火星著陸并成功開(kāi)展探測(cè)任務(wù)。如今，在這一世界頂尖科技探索項(xiàng)目中，有了中國(guó)的加入。

以往的探測(cè)發(fā)現(xiàn)了火星存在水的證據(jù)，火星上是否存在孕育生命條件以及火星是地球的過(guò)去還是地球的未來(lái)，成為火星研究重大科學(xué)問(wèn)題。與此同時(shí)，研究火星對(duì)認(rèn)識(shí)地球演變具有非常重要的比較意義。

年輕的中國(guó)“探火”人

中華民族的“天問(wèn)”征途背后是無(wú)數(shù)航天人默默的付出與奉獻(xiàn)。從長(zhǎng)征火箭、神舟飛船，到“嫦娥”“北斗”，接過(guò)航天前輩的精神傳承，新一代的航天人以星辰大海為抱負(fù)，上下求索，努力拼搏。

習(xí)近平總書(shū)記說(shuō)：“一個(gè)時(shí)代有一個(gè)時(shí)代的主題，一代人有一代人的使命?！苯?jīng)過(guò)幾代航天人的接續(xù)奮斗，中國(guó)航天事業(yè)的面貌發(fā)生了天翻地覆的變化。

首次火星探測(cè)任務(wù)于2016年1月經(jīng)黨中央、國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)立項(xiàng)，2020年4月被正式命名為“天問(wèn)一號(hào)”，這也是中國(guó)首次行星探測(cè)任務(wù)。

“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)由國(guó)家航天局組織實(shí)施，具體由工程總體和探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、地面應(yīng)用等五大系統(tǒng)組成。國(guó)家航天局探月與航天工程中心為工程總體單位，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總研制運(yùn)載火箭系統(tǒng)，中國(guó)空間技術(shù)研究院和上海航天技術(shù)研究院抓總研制探測(cè)器系統(tǒng)。中國(guó)衛(wèi)星發(fā)射測(cè)控系統(tǒng)部負(fù)責(zé)組織實(shí)施發(fā)射、測(cè)控。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)抓總研制地面應(yīng)用系統(tǒng)、負(fù)責(zé)科學(xué)數(shù)據(jù)接收、處理、存儲(chǔ)管理等工作。

我和火星的緣分始于2017年8月。畢業(yè)后，我進(jìn)入航天五院總體部，成為一名航天工程師，參與到火星探測(cè)器的綜合測(cè)試工作中。在經(jīng)歷了初樣和正樣階段工作后，2020年，我調(diào)入探月與航天工程中心，參與工程總體組織工作，后來(lái)全程進(jìn)駐發(fā)射場(chǎng)，參與到火星任務(wù)的發(fā)射實(shí)施階段工作中。4月5日進(jìn)場(chǎng)到成功發(fā)射的100多天里，我在前方密切跟蹤探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)的發(fā)射準(zhǔn)備工作的同時(shí)，還要兼顧后方的測(cè)控系統(tǒng)準(zhǔn)備工作、飛控工作進(jìn)展。火星任務(wù)，測(cè)控通信是一個(gè)難點(diǎn)，也是亮點(diǎn)，前期探測(cè)器系統(tǒng)的工作經(jīng)驗(yàn)和測(cè)控通信專業(yè)的基礎(chǔ)，都對(duì)我參與各大系統(tǒng)的工作組織和接口協(xié)調(diào)提供了較好的支持。

從大學(xué)畢業(yè)至今，我與航天結(jié)緣已有6年時(shí)間。在這次火星任務(wù)中，我負(fù)責(zé)“日例會(huì)”“日計(jì)劃”的組織匯報(bào)以及中心人員工作安排、物資保障等，同時(shí)還承擔(dān)新聞宣傳工作。這次任務(wù)意義重大，同時(shí)難度也大，又趕上疫情，同樣的事情與之前相比，這次卻要付出更多的努力，垂直轉(zhuǎn)運(yùn)，箭在弦上，高負(fù)荷，快節(jié)奏已成為最后沖刺階段的標(biāo)簽。

2011年碩士畢業(yè)，我進(jìn)入上海航天工作時(shí)，正值國(guó)家深空探測(cè)規(guī)劃論證，一期重點(diǎn)任務(wù)就是火星探測(cè)，歷時(shí)5年，火星探測(cè)任務(wù)確定立項(xiàng)。在“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)中我的工作是火星環(huán)繞器總體總裝，具體的工作職責(zé)是在設(shè)計(jì)階段負(fù)責(zé)火星環(huán)繞器總體結(jié)構(gòu)和布局總裝設(shè)計(jì)，在研制試驗(yàn)階段負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)AIT（總裝/集成/測(cè)試）工作，對(duì)總體技術(shù)狀態(tài)負(fù)責(zé)。火星探測(cè)，因?yàn)樘祗w窗口約束，每26個(gè)月才有一次發(fā)射機(jī)會(huì)。在立項(xiàng)時(shí)，研制團(tuán)隊(duì)就明確了一個(gè)概念，火星任務(wù)沒(méi)有可以推的后墻，必須按照按時(shí)（窗口）、保質(zhì)（可靠性）、保量（覆蓋性）完成任務(wù)。

我們承擔(dān)“天問(wèn)一號(hào)”13臺(tái)有效載荷研制工作。從2014年參加有效載荷的論證工作至今，我已經(jīng)工作了6年的時(shí)間。研制過(guò)程很是坎坷。多次出現(xiàn)從一個(gè)坑里爬上來(lái)，又掉入另一個(gè)坑里的情況。在發(fā)射場(chǎng)有這樣一個(gè)標(biāo)語(yǔ)—“強(qiáng)者，都是流著淚奔跑的人”，我對(duì)此感觸非常深刻。航天領(lǐng)域有一個(gè)著名的環(huán)節(jié)就是“歸零”，有些問(wèn)題經(jīng)過(guò)艱苦的歸零，成功解決之后，在歸零評(píng)審會(huì)上經(jīng)常有人眼里噙著淚水。正是由于全體參研人員的艱辛付出，我們有效載荷趕上了整個(gè)任務(wù)的進(jìn)度，按期裝器來(lái)到發(fā)射場(chǎng)。

中國(guó)科學(xué)院承擔(dān)中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)探測(cè)器有效載荷分系統(tǒng)的研制工作，針對(duì)火星空間環(huán)境、形貌特征、表層結(jié)構(gòu)和大氣環(huán)境等方面開(kāi)展科學(xué)研究。有效載荷總體是架起科學(xué)與工程之間的橋梁，將科學(xué)理想與工程約束相匹配，在適應(yīng)資源約束的情況下，追求科學(xué)產(chǎn)出最大化。2016年初，有效載荷分系統(tǒng)正式進(jìn)入工程實(shí)施階段，較探測(cè)器晚啟動(dòng)近一年半，中科院有效載荷總體及各承研單位基本全年無(wú)休，按期完成了初樣、正樣產(chǎn)品的交付。進(jìn)入發(fā)射場(chǎng)后，因?yàn)橐咔榉揽匦枰?，進(jìn)場(chǎng)隊(duì)員人數(shù)進(jìn)行了壓縮，13臺(tái)載荷設(shè)備同時(shí)在場(chǎng)峰值人數(shù)僅為50人，這是以往探月型號(hào)不敢想象的。

2017年4月，我畢業(yè)后來(lái)到航天五院總體部測(cè)試中心工作。測(cè)試中心是完成整星級(jí)測(cè)試任務(wù)的地方，也是距離衛(wèi)星最近的人。我們要測(cè)試驗(yàn)證衛(wèi)星各單機(jī)設(shè)備主要性能、設(shè)備間接口性能以及整星級(jí)性能的部門，我們來(lái)確保衛(wèi)星完美無(wú)瑕地轉(zhuǎn)入發(fā)射場(chǎng)等待發(fā)射。2017年底，我接任了火星探測(cè)器測(cè)試指揮的任務(wù)，緊接著就要完成模飛測(cè)試的重要測(cè)試任務(wù)—將衛(wèi)星從發(fā)射到落火，再到火星車火面行走整個(gè)事件在地面進(jìn)行模擬飛行試驗(yàn)。在發(fā)射日當(dāng)天，我有幸代表火星探測(cè)器系統(tǒng)，向發(fā)射場(chǎng)指戰(zhàn)員、向全體火星探測(cè)任務(wù)成員、向全國(guó)人民報(bào)告“探測(cè)器好”，這意味著火星探測(cè)器系統(tǒng)已經(jīng)做好準(zhǔn)備，可以發(fā)射了。

我是火星環(huán)繞器主任工藝師，主要是把各位設(shè)計(jì)師腦子里想的、圖紙和文件里面要求的給做出來(lái)，而基本上是從原材料級(jí)別開(kāi)始的。我和我的團(tuán)隊(duì)具體負(fù)責(zé)火星環(huán)繞器部分的生產(chǎn)、總裝和測(cè)試，大家現(xiàn)在從新聞里看到的，咱們探測(cè)器下部那個(gè)金燦燦的六邊形的環(huán)繞器，就是我和團(tuán)隊(duì)成員一點(diǎn)一點(diǎn)從無(wú)到有做出來(lái)的。探測(cè)器在任務(wù)期間有各種機(jī)構(gòu)的展開(kāi)，比如太陽(yáng)翼、各種天線和載荷。如何抵消地球重力場(chǎng)的影響，如何減少對(duì)活動(dòng)部件的影響，如何對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，這些都是我們一直在努力攻克和一遍遍考核驗(yàn)證的難題，確實(shí)不容易。

進(jìn)入基地之后，我們和試驗(yàn)隊(duì)員同吃同住，有探測(cè)器轉(zhuǎn)運(yùn)、火箭垂直轉(zhuǎn)運(yùn)這些關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，采訪拍攝了各大系統(tǒng)的研制人員，從總師到主任設(shè)計(jì)師，從工程總體到各個(gè)分系統(tǒng)。在文昌的這段時(shí)間，濕度80%上下，溫度35攝氏度左右，太陽(yáng)在頭頂360度無(wú)死角地曬。我們到的時(shí)候，依舊是工作的高峰時(shí)期，探測(cè)器300多人，火箭200多人，再加上發(fā)射場(chǎng)工作人員，無(wú)數(shù)人在這片海岸邊的土地上忙碌著。即便面對(duì)各種困難、質(zhì)疑，他們依舊是能夠把頭昂起來(lái)的新一代航天人。中國(guó)的航天事業(yè)已經(jīng)發(fā)展了60多年，火星探測(cè)是中國(guó)行星探測(cè)的第一步，“一代人有一代人的長(zhǎng)征”，接力棒已經(jīng)交到了新一代航天人的手中。