通往火星的旅程

南方周末特約撰稿　鞠強(qiáng)

火星車(chē)導(dǎo)航相機(jī)拍攝的火星車(chē)尾部及火星表面?！?guó)家航天局　?圖

★隨著“祝融號(hào)”在火星上踽踽獨(dú)行并陸續(xù)傳回圖像數(shù)據(jù)，中國(guó)已成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)成功著陸火星并開(kāi)展探測(cè)工作的國(guó)家。

2021年5月15日7時(shí)18分，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器成功在火星表面著陸。這是我國(guó)首次實(shí)施火星著陸任務(wù)，我國(guó)也成為繼蘇聯(lián)和美國(guó)之后第三個(gè)探測(cè)器成功在火星著陸的國(guó)家，中國(guó)深空探索進(jìn)入新的時(shí)代。

十年磨劍

在太陽(yáng)系的八大行星中，火星與地球最為相似?？茖W(xué)家研究火星，希望能夠破解太陽(yáng)系的起源和演化以及地外生命是否存在等重大問(wèn)題，同時(shí)探索移居地外的可能性。因此，火星成為人類(lèi)探索太空的優(yōu)先目標(biāo)。

1960年，人類(lèi)開(kāi)啟探索火星的征程，但蘇聯(lián)發(fā)射的兩臺(tái)探測(cè)器都沒(méi)能離開(kāi)地球。1965年，美國(guó)的“水手4號(hào)”飛掠火星。1971年，美國(guó)的“水手9號(hào)”成為首個(gè)環(huán)繞火星的探測(cè)器。1975年，美國(guó)的“海盜1號(hào)”和“海盜2號(hào)”成功在火星表面著陸。1996年出發(fā)的美國(guó)“探路者號(hào)”著陸器成功在火星表面著陸，并且釋放“旅居者號(hào)”火星車(chē)，這是人類(lèi)第一輛火星車(chē)。飛掠、環(huán)繞、著陸和巡視也代表了目前火星探測(cè)的四種主要類(lèi)型。

在人類(lèi)探索火星的最初半個(gè)世紀(jì)里，美國(guó)、俄羅斯（蘇聯(lián)）、歐洲、印度和日本紛紛實(shí)施了火星探測(cè)計(jì)劃，卻幾乎沒(méi)有中國(guó)人的身影。直到21世紀(jì)初，隨著嫦娥探月工程立項(xiàng)，中國(guó)人真正意識(shí)到，向另一顆星球進(jìn)發(fā)的時(shí)代正在到來(lái)。2007年10月24日，“嫦娥1號(hào)”發(fā)射升空。在“嫦娥1號(hào)”取得成功后，專(zhuān)家就開(kāi)始謀劃我國(guó)深空探測(cè)的后續(xù)發(fā)展。2010年，8位院士聯(lián)名向國(guó)家建議，開(kāi)展月球以遠(yuǎn)的深空探測(cè)的綜合論證。2016年1月11日，中國(guó)首次火星探測(cè)正式立項(xiàng)。

2016年兩會(huì)期間，中國(guó)科學(xué)院院士葉培建透露，中國(guó)準(zhǔn)備在2020年發(fā)射火星探測(cè)器。2016年8月23日，“中國(guó)火星探測(cè)工程名稱和圖形標(biāo)識(shí)全球征集活動(dòng)”新聞發(fā)布會(huì)在北京召開(kāi)，會(huì)上首次公布中國(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。2019年11月14日，首次火星探測(cè)任務(wù)著陸器懸停避障試驗(yàn)在河北省懷來(lái)縣完成，此次試驗(yàn)是我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)首次公開(kāi)亮相，試驗(yàn)?zāi)M了著陸器在火星環(huán)境下懸停、避障、緩速下降的過(guò)程，對(duì)其設(shè)計(jì)正確性進(jìn)行了綜合驗(yàn)證。

2020年4月24日，國(guó)家航天局在2020年中國(guó)航天日線上啟動(dòng)儀式上宣布，中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)”（Tianwen）系列，首次火星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)一號(hào)”，后續(xù)行星任務(wù)依次編號(hào)?！疤靻?wèn)”取自中國(guó)古代偉大詩(shī)人屈原的《天問(wèn)》，十分貼合數(shù)千年來(lái)中國(guó)人對(duì)蒼穹求索的歷程。命名規(guī)則也透露出，火星探測(cè)只是中國(guó)未來(lái)將要進(jìn)行的行星探測(cè)的起點(diǎn)，其他行星也將迎來(lái)中國(guó)的“客人”。

地球和火星之間每隔26個(gè)月有一個(gè)發(fā)射窗口。在此前幾個(gè)發(fā)射窗口中，都有前往火星的探索任務(wù)，而2020年7月底到8月初的這個(gè)發(fā)射窗口，更是格外熱鬧。除了中國(guó)的火星任務(wù)外，阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”火星探測(cè)器和美國(guó)的“毅力號(hào)”火星探測(cè)器也都先后啟程前往火星。

有備而來(lái)

在2020年的這個(gè)發(fā)射窗口，各國(guó)根據(jù)自身的情況和目標(biāo)選擇了不同的方案。美國(guó)的任務(wù)是巡視，阿聯(lián)酋的任務(wù)是環(huán)繞，而中國(guó)的任務(wù)則是多步并作一步，包括環(huán)繞、著陸和巡視。這既是中國(guó)首次火星任務(wù)的難點(diǎn)，同時(shí)也是創(chuàng)新點(diǎn)。美國(guó)基本上是分開(kāi)完成各種類(lèi)型的任務(wù)，而歐洲航天局兩次挑戰(zhàn)“繞、落、巡”也都沒(méi)有成功。一次實(shí)現(xiàn)三個(gè)目標(biāo)，是其他國(guó)家第一次實(shí)施火星探測(cè)時(shí)前所未有的，挑戰(zhàn)也是空前巨大。

“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器的設(shè)計(jì)也服務(wù)于這個(gè)目標(biāo)。探測(cè)器重約5噸，由一個(gè)軌道器和一個(gè)著陸巡視器組成。軌道器為巡視器提供中繼通信鏈路，同時(shí)本身進(jìn)行為期1個(gè)火星年（約1.88個(gè)地球年）的科學(xué)觀測(cè)。著陸巡視器在火星表面進(jìn)行軟著陸，候選著陸點(diǎn)為位于火星北半球的烏托邦平原，這個(gè)區(qū)域可能是一個(gè)古海洋所在地，有很高的科學(xué)價(jià)值。依靠太陽(yáng)能提供能量的巡視器（火星車(chē)）重約240千克，質(zhì)量幾乎是“玉兔號(hào)”月球車(chē)的兩倍，預(yù)計(jì)將在火星表面工作90個(gè)火星日（1個(gè)火星日約合24小時(shí)39分鐘）左右。

雖然這是中國(guó)第一次獨(dú)立開(kāi)展火星探測(cè)，但起點(diǎn)高，制定了豐富的科學(xué)目標(biāo)?！疤靻?wèn)一號(hào)”的主要任務(wù)是利用軌道器對(duì)整個(gè)火星進(jìn)行全面廣泛的勘測(cè)，并將巡視器送到有科研價(jià)值的表面位置，進(jìn)行高精度、高分辨率的詳細(xì)調(diào)查。具體來(lái)說(shuō)，“天問(wèn)一號(hào)”的科學(xué)目標(biāo)主要有5項(xiàng)，分別是繪制火星形態(tài)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖、調(diào)查火星表面的土壤特征和水冰分布、分析火星表面的物質(zhì)組成、測(cè)量電離層和火星地表氣候及環(huán)境特征以及探索火星的物理場(chǎng)（電磁場(chǎng)、引力場(chǎng)）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了配合科學(xué)目標(biāo)的完成，“天問(wèn)一號(hào)”一共攜帶了13種有效載荷。軌道器上的7臺(tái)儀器包括兩臺(tái)相機(jī)、火星軌道次表層探測(cè)雷達(dá)、火星礦物學(xué)光譜儀、火星磁力儀、火星離子和中性粒子分析儀、火星高能粒子分析儀。巡視器上的6臺(tái)儀器包括多光譜相機(jī)、地形相機(jī)、火星巡視器次表層探測(cè)雷達(dá)、火星表面成分探測(cè)器、火星磁場(chǎng)探測(cè)器和火星氣象監(jiān)測(cè)儀。這些儀器將共同幫助中國(guó)科學(xué)家第一次直接了解火星大氣、地形、磁場(chǎng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等信息。

2020年7月23日，“天問(wèn)一號(hào)”在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)由長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭發(fā)射升空，正式踏上奔向火星的旅程。2021年2月10日，經(jīng)過(guò)近6個(gè)半月的飛行，“天問(wèn)一號(hào)”經(jīng)過(guò)近火制動(dòng)順利進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道，成為中國(guó)首顆進(jìn)入火星軌道的探測(cè)器。

創(chuàng)造歷史

2021年4月24日，又是在中國(guó)航天日這一天，國(guó)家航天局宣布首輛火星車(chē)命名為“祝融”。祝融在中國(guó)傳統(tǒng)文化中被尊為最早的火神，此次命名寓意點(diǎn)燃我國(guó)星際探測(cè)的火種，指引人類(lèi)對(duì)浩瀚星空、宇宙未知的接續(xù)探索和自我超越。

在進(jìn)入火星軌道后，“天問(wèn)一號(hào)”開(kāi)始通過(guò)攜帶的相機(jī)對(duì)烏托邦平原進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)一步考察著陸區(qū)的地形，選擇平坦的著陸區(qū)。同時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”也在了解著陸區(qū)的天氣情況并作出預(yù)報(bào)，挑選適合的著陸時(shí)間，以避免被火星巨大的沙塵暴所干擾。根據(jù)此前的火星氣象數(shù)據(jù)，火星沙塵活動(dòng)集中在下半年，北半球在春夏期間比較寧?kù)o。綜合各種因素之后，科研人員最終選擇在5月中旬著陸，確定了5月15日凌晨開(kāi)始的著陸窗口。

在這個(gè)火星探測(cè)窗口中，阿聯(lián)酋選擇了環(huán)繞的方式，此前成功發(fā)射過(guò)火星探測(cè)器的印度選擇的也是環(huán)繞的方式。除了科學(xué)目標(biāo)不同外，一個(gè)重要的原因就是在火星實(shí)施著陸探測(cè)有非常大的難度。蘇聯(lián)的“火星3號(hào)”完成過(guò)一次接近成功的軟著陸，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）成功過(guò)9次，歐洲空間局的2次嘗試均遭失敗。

在“天問(wèn)一號(hào)”著陸巡視器降落到火星表面的過(guò)程中，經(jīng)歷了一個(gè)所謂“死亡八分鐘”的過(guò)程。5月15日凌晨1時(shí)許，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在停泊軌道實(shí)施降軌，機(jī)動(dòng)至火星進(jìn)入軌道。4時(shí)許，著陸巡視器與軌道器分離，歷經(jīng)約3小時(shí)的飛行后，進(jìn)入火星大氣。接下來(lái)，就是堪稱生死考驗(yàn)的“死亡八分鐘”。著陸巡視器先后經(jīng)歷了三個(gè)減速階段：第一個(gè)是氣動(dòng)減速段，在這個(gè)階段著陸巡視器利用大氣摩擦將速度從4.8千米/秒減速到460米/秒；第二個(gè)是傘系減速段，著陸巡視器在距離火星表面大約11千米處打開(kāi)降落傘，利用降落傘減速到95米/秒；第三個(gè)是動(dòng)力減速段，著陸巡視器利用著陸平臺(tái)底部7500牛發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反沖力，將速度降到約1.5米/秒。此后，著陸巡視器進(jìn)入懸停避障段，在距離表面100米高度處將速度減為0，達(dá)到懸停狀態(tài)，同時(shí)避開(kāi)下面的障礙物。最后，著陸巡視器在緩速下降段中依靠著陸腿降落在火星表面。在兩器分離約30分鐘后，軌道器進(jìn)行升軌，返回停泊軌道，為著陸巡視器提供通信中繼。

著陸巡視器成功在火星表面著陸后，已經(jīng)打開(kāi)太陽(yáng)能電池板開(kāi)始充電，桅桿也正常展開(kāi)?！袄@、落、巡”三步中已經(jīng)成功完成了前兩步。根據(jù)計(jì)劃，“祝融號(hào)”火星車(chē)將于降落后一周后即5月22日駛下著陸器，開(kāi)始在火星上的漫游之旅。預(yù)計(jì)在5月27日左右實(shí)現(xiàn)著陸器和巡視器的兩器互拍并于5月28日傳回互拍的圖片?！白Ｈ谔?hào)”在火星上開(kāi)展巡視工作后，中國(guó)將成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)成功著陸火星并開(kāi)展探測(cè)工作的國(guó)家。

中國(guó)古人稱火星為“螢惑”，熒熒似火，行蹤又捉摸不定，令人迷惑。千百年來(lái)，中國(guó)人始終沒(méi)有停止對(duì)火星的注視，“天問(wèn)一號(hào)”將中國(guó)人長(zhǎng)久以來(lái)探索火星的心愿變成了現(xiàn)實(shí)。除火星探測(cè)外，中國(guó)還計(jì)劃在2030年前實(shí)施火星采樣返回、小行星探測(cè)、木星系及行星穿越探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)。當(dāng)這幅太空探索的畫(huà)卷在我們面前緩緩展開(kāi)的時(shí)候，中華民族的太空夢(mèng)正觸手可及。