“天問一號”啟程“探火”

“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？”2000多年前，屈原一首《天問》 抒發(fā)了古人對宇宙萬物的好奇和追問。

2000多年后，我國“天問一號”的升空，則為這份“問卷”標(biāo)注了當(dāng)代科學(xué)的一種回答。

7月23日12時(shí)41分，我國首個(gè)火星探測器“天問一號”搭載長征五號運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。升空后，它將經(jīng)歷7個(gè)月左右的長途跋涉，于2021年2月左右抵達(dá)火星，進(jìn)而變軌進(jìn)入停泊軌道，4月?lián)駲C(jī)登陸。

名稱源于屈原長詩

國家航天局總工程師葛小春介紹，“天問”的名稱源于屈原長詩《天問》，表達(dá)了中華民族追求真理的堅(jiān)韌與執(zhí)著，體現(xiàn)了對自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學(xué)真理征途漫漫，追求科技創(chuàng)新永無止境。

據(jù)了解，我國首次火星探測任務(wù)名稱和圖形標(biāo)識全球征集活動于2016年8月啟動，共收到工程名稱35 912個(gè)，工程圖形標(biāo)識7439個(gè)。經(jīng)專家評審篩選，分別產(chǎn)生工程名稱和圖形標(biāo)識前8名，之后又在網(wǎng)絡(luò)上開展了為期兩個(gè)多月的公眾線上投票。這8個(gè)工程候選名稱分別為“天問”“鳳凰”“追夢”“朱雀”“鳳翔”“騰龍”“麒麟”“火星”。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)投票，“天問”排名第一，得票31.7萬余張。

專家表示，《天問》出自《楚辭》，作品對天地、自然和人世等一切事物現(xiàn)象進(jìn)行想象與發(fā)問，從宇宙之本源，到陰陽之俱化；從天地之構(gòu)造，到星辰之往亙。以“天問”作為工程名稱，體現(xiàn)了中華民族傳統(tǒng)文化精髓，易于廣大群眾接受，便于記憶和傳播，也彰顯了中國人邁向更遠(yuǎn)深空的決心和毅力，引導(dǎo)公眾特別是青少年樹立熱愛科學(xué)、崇尚科學(xué)的理想情懷。

火星探測任務(wù)的圖形標(biāo)識同樣通過征集和網(wǎng)絡(luò)投票，同時(shí)組織了專業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和知名專家進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。象征“攬星九天”的標(biāo)識中，太陽系八大行星依次排開，表達(dá)了宇宙的五彩繽紛，呈現(xiàn)了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的豐富多彩。開放的橢圓軌道整體傾斜向上，展示了獨(dú)特字母“C”的形象，代表了中國行星探測（China），體現(xiàn)著國際合作精神（Cooperation），標(biāo)志著深空探測進(jìn)入太空的能力（C3）等多重含義，展現(xiàn)出中國航天開放合作的理念。

專家特別介紹，此次標(biāo)識設(shè)計(jì)以行星探測重大工程作為一個(gè)整體概念，統(tǒng)一命名并設(shè)計(jì)標(biāo)識。根據(jù)不同行星探測任務(wù)，標(biāo)識下方的“Mars”(火星)標(biāo)志以行星英文名稱進(jìn)行替代。

“攬星九天”標(biāo)識（圖/央視網(wǎng)）

火星為何這么“火”

在太陽系的各類星球中，火星無疑是迄今最讓人類感興趣的一顆。不僅因?yàn)樗请x我們最近的行星，而且它與地球有諸多相似之處，相關(guān)研究已經(jīng)找到了火星存在水的證據(jù)，讓人類更好奇那里是否有過生命，它是地球的過去還是未來。這讓火星成為人類關(guān)于地外生存的想象中，最有可能的一個(gè)目的地。

自1960年蘇聯(lián)發(fā)射人類首顆火星探測器起，迄今的火星探測可以分為三個(gè)階段。第一階段是1960年至1975年，美蘇在冷戰(zhàn)背景下開展火星競爭，掀起第一輪高潮，一共實(shí)施了23次任務(wù)，其中1976年美國“海盜1號”“海盜2號”兩個(gè)探測器相繼著陸，成為最早的火星登陸者。第二階段是從1976年至1990年，隨著美蘇競爭戰(zhàn)略重點(diǎn)轉(zhuǎn)移，火星探測進(jìn)入低潮期，僅實(shí)施2次任務(wù)。第三階段是20世紀(jì)90年代至今，迎來第二個(gè)高峰期，這一時(shí)期以發(fā)展新技術(shù)和獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)為主要驅(qū)動力。

中國科學(xué)院院士、地球化學(xué)與天體化學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)在一次演講中說，對火星生命的探尋，是火星探測的第一個(gè)科學(xué)問題，其次才是火星本身的地質(zhì)、磁層、大氣等問題。但所有火星探測都沒有發(fā)現(xiàn)任何生命活動的跡象，盡管如此，人類從未放棄這一努力。

歐陽自遠(yuǎn)在文章《火星探測的主要科學(xué)問題》中表示，從火星獨(dú)特的地形地貌特征（如河網(wǎng)體系、海洋盆地、極區(qū)冰蓋的消長等）和接近地球的表面環(huán)境來看，仍有理由認(rèn)為火星過去存在生命活動。在他看來，關(guān)于地外生命存在的探尋，不僅反映了人類的好奇心，更是人類探索太空的動力和社會責(zé)任。

越來越多的探測結(jié)果表明，火星有水或曾經(jīng)有水體的活動。美國“奧德賽”探測器發(fā)現(xiàn)火星大氣中有微量水蒸氣，“火星勘測軌道器”通過雷達(dá)探測器發(fā)現(xiàn)火星地表下有水冰層。2015年，美國國家航空航天局（NASA）宣布在火星表面發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水活動的“強(qiáng)有力”證據(jù)，認(rèn)為火星表面的溝壑很可能是高濃度咸水流經(jīng)的痕跡。

科學(xué)家還在地球上搜尋火星生命的蛛絲馬跡。許多國家在地球南極收集到類型眾多的火星隕石，發(fā)現(xiàn)了大量類似細(xì)菌狀的“化石”，以及碳酸鹽瘤體的微結(jié)構(gòu)和類似生物膜的微結(jié)構(gòu)。2014年，中國科學(xué)家在一塊火星隕石中發(fā)現(xiàn)了碳顆粒，并認(rèn)為這可能是火星生命產(chǎn)生的碳。不久后，美國也宣布通過“好奇號”發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果。

更雄心勃勃的目標(biāo)是為人類移民尋找目的地。

火星與地球有許多相似之處。例如，地球上的一天約為23小時(shí)56分，火星約為24小時(shí)37分，幾乎有相同的晝夜長短；地球公轉(zhuǎn)軌道面和赤道面夾角約為23°26′，火星約為25°，有幾乎相同的季節(jié)變化。這些相似性都表明，火星是適宜人類居住改造的最佳候選行星，何況距離還如此之近。

當(dāng)然，火星不利于生存的條件也非常明顯：火星表面平均溫度為-40℃～-60℃；火星表面比地球表面具有更強(qiáng)的宇宙高能粒子輻射，引力只有地球的38%，大氣壓力僅為地球的1%。在移居之前，人類還需進(jìn)行大規(guī)模的環(huán)境改造。

歐陽自遠(yuǎn)認(rèn)為，載人登火將是21世紀(jì)最宏偉、最復(fù)雜的航天工程，是航天大國實(shí)施載人航天的最高目標(biāo)。通過國際合作實(shí)施火星登陸、火星改造和火星利用，人類有望在未來幾個(gè)世紀(jì)中，將火星改造成適宜人類生存與發(fā)展的綠色星球。

7月23日，“天問一號”成功發(fā)射（圖/新華視點(diǎn)官方微博）

一次實(shí)現(xiàn)“環(huán)繞、著陸、巡視探測”

“天問一號”火星探測器由著陸巡視器和環(huán)繞器組成（圖/中國航天科技集團(tuán)官方微博）

當(dāng)天發(fā)射圓滿成功，長征五號遙四運(yùn)載火箭成功將探測器送入地火轉(zhuǎn)移軌道，但這只是“天問一號”一次性完成“環(huán)繞、著陸、巡視探測”系列任務(wù)的第一步。據(jù)介紹，火星探測器將在地火轉(zhuǎn)移軌道飛行約7個(gè)月后，到達(dá)火星附近，通過“剎車”完成火星捕獲，進(jìn)入環(huán)火軌道，并擇機(jī)開展著陸、巡視等任務(wù)，進(jìn)行火星科學(xué)探測。

具體來講，任務(wù)后續(xù)計(jì)劃分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：一是器箭分離后，探測器太陽翼和定向天線相繼展開，在測控系統(tǒng)支持下，飛行約7個(gè)月抵達(dá)火星，其間進(jìn)行深空機(jī)動和中途修正。二是探測器進(jìn)入環(huán)火軌道并經(jīng)過制動后，通過2至3個(gè)月的環(huán)繞飛行后首選進(jìn)入窗口，其間在著陸區(qū)上空對著陸區(qū)開展探測。三是探測器擇機(jī)實(shí)施降軌機(jī)動，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。環(huán)繞器升軌返回到停泊軌道，為著陸過程提供中繼通信。四是著陸巡視器進(jìn)入火星大氣，依次完成配平翼展開、降落傘開傘、大底分離、背罩分離、動力減速、懸停、避障及緩速下降、著陸緩沖等動作，在火星烏托邦平原軟著陸。五是著陸巡視器安全著陸后，火星車與著陸平臺解鎖分離?；鹦擒囻傠x著陸平臺，開始巡視探測。環(huán)繞器進(jìn)入中繼軌道，為火星車提供中繼通信，兼顧科學(xué)探測。六是火星車完成探測任務(wù)后，環(huán)繞器進(jìn)入使命軌道，開展火星全球遙感探測，兼顧火星車擴(kuò)展任務(wù)中繼通信。

我國首次火星探測任務(wù)起步雖晚，但起點(diǎn)高、跨越大，從立項(xiàng)伊始就明確提出在國際上首次通過一次發(fā)射，完成“環(huán)繞、著陸、巡視探測”三大任務(wù)。如果這一目標(biāo)能夠在“天問一號”任務(wù)中順利實(shí)現(xiàn)，我國將成為世界上第二個(gè)獨(dú)立掌握火星著陸巡視探測技術(shù)的國家。

據(jù)專家介紹，首次火星探測任務(wù)的工程目標(biāo)，一是突破火星制動捕獲、進(jìn)入/下降/著陸、長期自主管理、遠(yuǎn)距離測控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測和巡視探測，獲取火星探測科學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)我國在深空探測領(lǐng)域的技術(shù)跨越；二是建立獨(dú)立自主的深空探測工程體系，包括設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、飛行任務(wù)實(shí)施、科學(xué)研究、工程管理以及人才隊(duì)伍，推動我國深空探測活動可持續(xù)發(fā)展。

中國首次火星探測任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)，主要是實(shí)現(xiàn)對火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、火星表面土壤特征與水冰分布、火星表面物質(zhì)組成、火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征、火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等研究。

為了相關(guān)科學(xué)目標(biāo)，火星環(huán)繞器攜帶7臺儀器，火星車攜帶6臺儀器，計(jì)劃通過一系列科學(xué)探測建立起對火星全面而基礎(chǔ)的認(rèn)識。

全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩表示，這在人類火星探測史上是前所未有的。采用這種“一舉三得”的探火方式，起點(diǎn)高、效益高，但挑戰(zhàn)大。如果成功，我國深空探測能力和水平將實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界第三個(gè)在火星著陸的國家，第二個(gè)在火星巡視的國家。此外，環(huán)繞器對火星進(jìn)行普查，火星車可以在著陸區(qū)火星表面詳查，這樣就可以一次性獲得更多成果。

中國航天技術(shù)專家黃志澄表示，這次如果能“一氣呵成”完成三大火星探測任務(wù)，將創(chuàng)造一個(gè)人類探火的新紀(jì)錄，證明中國航天技術(shù)已經(jīng)步入世界先進(jìn)行列，將是中國航天發(fā)展史的一個(gè)里程碑。

奔“火”路上困難重重

我國首次火星探測任務(wù)要一次性實(shí)現(xiàn)“環(huán)繞、著陸、巡視探測”三大任務(wù)，這在世界航天史上前所未有，難度和挑戰(zhàn)也非比尋常。目前，“天問一號”已經(jīng)在距離地球數(shù)百萬公里之遙的奔火軌道上極速前進(jìn)，探測器各項(xiàng)功能及運(yùn)行情況良好。探火之路，旅途漫漫，在奔向火星的路途上，“天問一號”究竟會面臨哪些難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)？

臨門一腳：高難度“踩剎車”上火星

火星捕獲是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高、最為重要的環(huán)節(jié)之一，在火星探測器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲的機(jī)會只有一次。利用火箭助推，探測器獲得了擺脫地球引力的能量，使用精心設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)移軌道，讓探測器最終能夠順利抵達(dá)火星附近。

然而，由于攜帶的推進(jìn)劑有限，環(huán)繞器在抵達(dá)火星后，必須把握住唯一的機(jī)會對火星進(jìn)行制動捕獲。此次火星探測任務(wù)捕獲時(shí)探測器距離火星僅400公里，而此時(shí)探測器相對火星的速度高達(dá)4到5公里每秒，一不留神就會撞擊火星或飛離，捕獲的成功與否成為火星探測任務(wù)成敗的關(guān)鍵。

在這一制動捕獲過程中，火星環(huán)繞器面臨諸多挑戰(zhàn)。由于捕獲時(shí)探測器距離地球1.93億公里，單向通信時(shí)延達(dá)到10.7分鐘，地面無法對這一制動過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。此外，在制動過程中，環(huán)繞器需要在自身出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)自主完成相應(yīng)處理，最大限度保證火星捕獲成功。

深空通信：實(shí)現(xiàn)4億公里超遠(yuǎn)距離通信

環(huán)火星飛行階段，由于地球和火星的運(yùn)行規(guī)律，探測器距離地球最遠(yuǎn)達(dá)到4億公里。為了解決超遠(yuǎn)距離通信問題，火星環(huán)繞器裝備了測控?cái)?shù)傳一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標(biāo)。

為補(bǔ)償空間衰減，火星環(huán)繞器配置了大功率行波管放大器以及大口徑可驅(qū)動的定向天線，大幅度提高探測器到地球的通信能力。

自主管理：部分時(shí)間需自行完成任務(wù)

通常情況下，環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星都是由地面控制中心根據(jù)衛(wèi)星的實(shí)時(shí)狀態(tài)和任務(wù)要求進(jìn)行控制的。但火星環(huán)繞器由于其探測器到地球的距離遠(yuǎn)，通信延時(shí)大，無法完全依靠地面指令對星上出現(xiàn)的突發(fā)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

此外，環(huán)繞器與地面站通信有其空間的特殊性，導(dǎo)致通信中斷（日凌）的時(shí)間最長可達(dá)30天，其間需依靠自身完成長期任務(wù)管理，并在出“日凌”后及時(shí)調(diào)整天線指向，迅速重新與地面建立聯(lián)系。

據(jù)悉，在此次火星探測任務(wù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，自主管理同樣需要發(fā)揮巨大作用。在火星探測器進(jìn)行環(huán)繞器與著陸巡視器分離時(shí)，環(huán)繞器需在短時(shí)間內(nèi)完成3次調(diào)姿和2次變軌，對姿態(tài)、位置測量及控制精度要求非常高。正是依靠自主在軌管理系統(tǒng)，火星環(huán)繞器才能夠精準(zhǔn)、及時(shí)地完成與著陸巡視器的分離。

多樣載荷：給火星拍個(gè)“中式定妝照”

此次火星環(huán)繞器上共搭載7種有效載荷，可對地火轉(zhuǎn)移空間、火星軌道空間、火星表面及其次表層開展科學(xué)探測，獲取行星際射電頻譜數(shù)據(jù)、火星表面圖像、火星地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌、火星表層結(jié)構(gòu)和地下水冰分布、火星礦物組成與分布、火星空間磁場環(huán)境、近火星空間環(huán)境和地火轉(zhuǎn)移軌道能量粒子特征及其變化規(guī)律。

其中，中分辨率相機(jī)可對火星全球開展地形地貌普查，高分辨率相機(jī)可對火星重點(diǎn)地區(qū)開展局部高分辨率地形地貌詳查，將為火星拍下來自中國的“定妝照”。

深空探測下一步怎么走

今年4月24日公布“天問一號”任務(wù)名時(shí)，我國更長遠(yuǎn)的行星探測計(jì)劃也浮出水面。

據(jù)國家航天局消息，“天問系列”將成為中國行星探測的任務(wù)名，“天問一號”是其中第一次任務(wù)。這意味著，中國行星探測已經(jīng)形成整體概念，目光已投向超越火星的更遠(yuǎn)行星。根據(jù)目前公布的計(jì)劃，我國第二次火星探測任務(wù)定于2028年左右，將在火星上采樣返回。2030年前我國計(jì)劃開一次小行星探測，之后還計(jì)劃進(jìn)行木星系及行星際穿越探測。

早在嫦娥一號任務(wù)成功之后，國內(nèi)專家就開始謀劃我國深空探測后續(xù)發(fā)展。2010年8月，8位院士聯(lián)名向國家建議，開展月球以遠(yuǎn)深空探測的綜合論證，國家國防科工局立即組織專家組開展了發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施方案論證。中國航天科技集團(tuán)五院的院士、專家團(tuán)隊(duì)參與論證工作，對實(shí)施方案進(jìn)行了三輪迭代和深化，最終于2016年1月正式立項(xiàng)實(shí)施火星探測。

中國探月元老葉培建院士多年呼吁開展行星探測，他認(rèn)為中國開展火星、小行星和木星探測以后，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的星際探測。

迄今為止，人類探測器的足跡已經(jīng)遍及太陽系八大行星，中國剛剛邁出第一步。未來也有必要對八大行星進(jìn)行探測嗎？中國探月工程副總設(shè)計(jì)師、中國航天科技集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)委員會副主任于登云表示，掌握第一手資料自然最好，但還要考慮到國情，“我們要制訂適合自己的航天發(fā)展路徑，盡可能把國家實(shí)力展現(xiàn)出來，而不一定跟著外國跑?！彼硎?，未來的深空探測，一方面將解決最關(guān)鍵的能力問題，具備探測能力，但不一定每個(gè)行星都去探測。另一方面，對有代表性的星球要實(shí)施探測。

“天問一號”著陸平臺和火星車效果圖，火星車重約240千克（國家航天局新聞宣傳中心宣傳片截圖 ）

至于“天問一號”之后，下一次深空探測任務(wù)是什么，后續(xù)任務(wù)如何命名？于登云表示目前還沒有確定，不過“天問一號”任務(wù)成功以后，相信“二號”也將會啟動。（本刊綜合）■

相關(guān)鏈接：

“胖五”轉(zhuǎn)正后首次發(fā)射

此次發(fā)射“天問一號”火星探測器是長征五號系列運(yùn)載火箭（又稱“胖五”）第一次工程應(yīng)用發(fā)射，標(biāo)志著長征五號火箭關(guān)鍵技術(shù)已逐漸成熟，具備執(zhí)行國家重大航天工程任務(wù)的能力和條件。在此次“探火”任務(wù)中，“胖五”表現(xiàn)亮眼，在飛出中國火箭最快速度的同時(shí)，將5噸重的“天問一號”送入地火轉(zhuǎn)移軌道。

在長征五號火箭出現(xiàn)之前，我國火箭在不同軌道的最大運(yùn)載能力分別為地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）約5.5噸（長征三號乙火箭）和近地軌道（LEO）約13.5噸（長征七號火箭），長征五號火箭的出現(xiàn)極大地提高了這些數(shù)字。長征五號火箭總設(shè)計(jì)師李東介紹稱：“作為我國首型5米芯級直徑的大火箭，長征五號火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力可達(dá)14噸左右，為建設(shè)空間站而研制的長征五號B火箭近地軌道運(yùn)載能力可達(dá)25噸?！?/p>

為了確保完成首次工程應(yīng)用發(fā)射任務(wù)，“胖五”做了精心準(zhǔn)備。根據(jù)發(fā)射任務(wù)要求，“胖五”需要托舉火星探測器加速到每秒11.2公里以上的速度，將探測器直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道，開啟奔向火星的旅程。此次“胖五”發(fā)射“天問一號”探測器，在國內(nèi)首次達(dá)到并超過第二宇宙速度，飛出中國運(yùn)載火箭的最快速度。

對于普通發(fā)射任務(wù)，1個(gè)發(fā)射窗口只需要設(shè)計(jì)1條火箭發(fā)射軌道。此次任務(wù)則不同。如果把發(fā)射比作打靶，發(fā)射“天問一號”探測器就是在打移動靶，因?yàn)榈厍蚝突鹦堑南鄬ξ恢迷诓粩嘧兓?，只有不斷調(diào)整發(fā)射軌道，才能讓探測器入軌更精確，在奔火過程中節(jié)約燃料。為此，研制團(tuán)隊(duì)共設(shè)計(jì)42條發(fā)射軌道，這在中國航天史上絕無僅有。

據(jù)專家介紹，長征五號系列運(yùn)載火箭接下來會更加忙碌，比如，長征五號火箭將繼續(xù)深空探測之旅，在年內(nèi)發(fā)射嫦娥五號月球探測器實(shí)現(xiàn)對月球樣本的采用返回；長征五號B火箭將作為空間站建設(shè)的“專屬列車”，在未來2至3年內(nèi)相繼完成空間站核心艙和實(shí)驗(yàn)艙的發(fā)射。