超人離開氪星，火神回了火星

朱秋雨

2020 年7 月23 日，長征五號遙四運(yùn)載火箭搭載“天問一號”火星探測器在海南文昌發(fā)射。10 個月后，2021 年5 月15 日，“天問一號”探測器軟著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，中國成為第二個成功著陸火星的國家。后續(xù)“祝融號”火星車將依次開展對著陸點全局成像、自檢、駛離著陸平臺并開展巡視探測。

回顧1960 年以來的火星探測史，人類先后開展了40 多次探測，但成功率并不高——此前只有8 次任務(wù)成功著陸并開展火星探測。此次在火星的順利登陸，意味著我國成為唯一一次性完成“繞落巡”的國家。

如今，這顆紅色星球附近已經(jīng)變得擁擠，有7架飛行軌道器在火星軌道附近繞行，包括美國航天局（NASA）的3 架，歐洲的2 架，以及印度的“曼加利亞號”、阿聯(lián)酋的“希望號”。人類為何都將目標(biāo)朝向這顆紅色星球？登陸火星能給人類帶來什么好處？

清楚這些問題，我們或許才會知曉：“天問一號”探測器的成功登陸，究竟對中國、對世界意味著什么。

一次就好

太陽系的八大行星排列上，地球是離太陽第三近的行星，火星則是第四個。但從地球跨越到火星，并非如科幻電影里表現(xiàn)的一樣——造精密的飛船即能任意飛抵。精密的距離和時間的控制，是現(xiàn)實世界飛抵火星中的一大考量因素。

2020 年7 月23 日出發(fā)的“天問一號”，正是選在最適合飛往火星的“窗口期”。彼時，阿聯(lián)酋的“希望號”和美國航天局的“毅力號”，都在發(fā)起相似計劃。一切的源頭是——火星和地球以不同的速度和距離繞太陽公轉(zhuǎn)，地球和火星最遠(yuǎn)距離大約4 億公里，最近的距離是5600 萬公里。而每隔26 個月，會出現(xiàn)“火星沖日”的天文現(xiàn)象——火星、地球和太陽所處的軌道位置將形成一條直線。此時飛去火星，最節(jié)約燃料。

2020 年10 月14 日正是這一天文現(xiàn)象起作用之時，以此推算最佳的發(fā)射時間大約為“火星沖日”之前兩個月?！疤靻栆惶枴痹谶@時出發(fā)，被賦予了更重的使命——阿聯(lián)酋的“希望號”僅進(jìn)入火星軌道環(huán)繞，探測火星大氣；美國NASA 在發(fā)射“毅力號”之前，有過4 次火星車登陸火星表面的成功經(jīng)驗。而第一次執(zhí)行火星探測任務(wù)的“天問一號”，即要一次性完成環(huán)繞火星軌道、登陸表面和巡視著陸地這三大步驟。

而在2021 年2 月10 日，“天問一號”經(jīng)過200多天的飛行停泊進(jìn)入火星環(huán)繞軌道時，包括《紐約時報》等外媒發(fā)表社評稱，“與登陸火星相比，繞火星軌道飛行的挑戰(zhàn)根本不算什么?！?/p>

登陸火星的危險之處，首先表現(xiàn)為抵達(dá)火星表面附近時，航天器需剎車減速，并以正確的角度切入火星大氣層——角度太陡會起火燃燒。過去，NASA 和歐洲的很多火星探測器都因此起火墜毀。

從穿越火星大氣層到著陸需大約7 分鐘，卻被國際航天界公認(rèn)為“死亡7 分鐘”。著陸器進(jìn)入火星大氣的時機(jī)、姿態(tài)和角度都需要精準(zhǔn)的控制。又因為地球單程無線電信號到達(dá)火星需要20 分鐘，地面人員亦無法實時指揮——一切都要靠關(guān)于航天器的精準(zhǔn)設(shè)計。

“天問一號”探測任務(wù)總設(shè)計師張榮橋表示，這短短的7 分多鐘內(nèi)，“天問一號”需要從每秒4.8公里的速度急剎車到零，同時忍受上千攝氏度的高溫，歷經(jīng)4 段不同方式的減速：

首先穿過火星大氣層，進(jìn)行氣動減速，將速度降至460 米/ 秒；第二段，著陸巡視器打開降落傘，用拉拽的方式將速度降至95 米/ 秒；接著是反推發(fā)動機(jī)點火，速度減少到3.6 米/ 秒，將這個速度維持到最后；離地面100 米左右實現(xiàn)懸停避障，火星車即完成著陸。

偏偏是火星

在中國的“祝融號”發(fā)射成功以前，登陸過火星的只有美國、蘇聯(lián)。盡管后者在1971 年發(fā)射了火星3 號探測器，但僅在火星表面工作約20 秒即與地球失聯(lián)。

當(dāng)前，各國火星探測器主要有三種：繞火星軌道運(yùn)行，開展遠(yuǎn)距離探測的探測器，比如，阿聯(lián)酋的“希望號”；降落到火星表面，進(jìn)行原地探測的著陸器；能在火星上運(yùn)動的火星車。

據(jù)不完全統(tǒng)計，自1960 年以來，世界各國圍繞火星的發(fā)射任務(wù)共計51 次。進(jìn)入21 世紀(jì)，世界各國朝火星發(fā)射了17 個探測器。如今，還在圍繞著火星軌道繞行的探測器共計7 個，壽命最長的是NASA 在2001 年發(fā)射的“火星奧德賽號”。在火星表面上，除了“祝融號”火星車外，美國于2012 年、2018 年、2021 年分別成功登陸的“好奇號”“洞察號”“毅力號”火星車也在火星上巡視。

人類為何一窩蜂地探測火星？

就這一點，科學(xué)家運(yùn)用的思路是“排除法”。以從太陽系中尋找生命的維度，與太陽距離的遠(yuǎn)近可由此得出“宜居帶”。從八大行星的位置判斷，位于“宜居帶”的是和太陽距離適中的金星、地球和火星。

與地球大小、質(zhì)量、體積相似的金星成了最早人類探測外空、發(fā)現(xiàn)生命的第一選項。20 世紀(jì)50年代，美蘇兩大國掌握了航天技術(shù)后，同時將金星作為航天競賽的首要目標(biāo)。但人們很快認(rèn)識到發(fā)射目標(biāo)的錯誤。10 個在金星著陸的探測器，都來自蘇聯(lián)，但它們都“活不長”。最“長壽”的一個也在向地球傳輸了127 分鐘信息后“犧牲”?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這全因為金星的惡劣環(huán)境，地表溫度超過460 攝氏度，氣壓是地球的92 倍，還隨時會下硫酸雨。科學(xué)家由此下結(jié)論，金星的環(huán)境孕育出生命的可能性為零。

與此對比的是，火星雖然地表溫差大，平均氣溫為零下55 攝氏度，但一個最令人興奮的行動支撐是，火星上可能有液態(tài)水的存在?？茖W(xué)家們普遍推測，火星歷史上有過活躍的地質(zhì)運(yùn)動與河流，但由于太陽風(fēng)的吹拂以及小行星的撞擊等原因，后來逐漸都消失了。

2003 年歐洲航天局發(fā)射的“火星快車號”探測器，于2012 ～ 2015 年期間在火星南極冰蓋下進(jìn)行了29 次探測。2018 年，負(fù)責(zé)該項目的意大利科學(xué)家在《科學(xué)》雜志刊登論文宣布，該雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了一片至少有數(shù)米深、直徑約20 公里的湖泊。一旦該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步得到確認(rèn)，該湖泊將成為人類在火星發(fā)現(xiàn)的首個液態(tài)湖，這“讓火星環(huán)境中微生物的存在成為可能”。只是，科學(xué)界對相關(guān)發(fā)現(xiàn)反對聲音猶存。他們指出，缺少足夠的熱源將上述湖泊的冰融化成水。而沒有水，生命的存在也就失去可能。

探索火星的本質(zhì)

赴外星尋找生命，這對于全人類而言都是興奮的命題?！白Ｈ谔枴惫俜轿⒉┰忉屍浔几盎鹦堑脑颉拔沂莵砘鹦钦掖鸢傅模夯鹦巧系降子惺裁矗克墒裁唇M成？”

第一個登陸火星的衛(wèi)星為美國“維京號”計劃的“海盜一號”，時間在1976 年。該著陸器運(yùn)行了驚人的2245 個火星日，直到1982 年11 月13 日才與地面失聯(lián)。而與“祝融號”性質(zhì)一樣、能在火星表面移動的火星車，是美國最早于1997 年通過發(fā)射“火星探路者號”，成功讓名為“旅居者號”的火星車著陸。在千禧年以后，美國共計發(fā)送4 個火星車到達(dá)火星表面，運(yùn)行時間最長的“機(jī)遇號”——設(shè)計壽命最初為92 天，而其實際運(yùn)行了15 年，創(chuàng)造了地球以外星球的最長徒步旅行紀(jì)錄。

有了多次登陸火星的經(jīng)驗，美國壟斷了對于火星著陸過程中涉及的諸多技術(shù)參數(shù)，而這些參數(shù)，尤其對于“死亡7 分鐘”期間——地面與探測器完全失去聯(lián)系時，尤為重要。

中國的火星探測任務(wù)在此背景下開啟。國家航天局官網(wǎng)顯示，我國首次火星探測任務(wù)于2016 年正式批復(fù)立項，計劃通過一次任務(wù)實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視。

對于此刻的動因，中國火星探測首席科學(xué)家萬衛(wèi)星院士在2019 年的一篇文章中談道：“如果說第一次熱潮的主題是探測競賽，比的是誰先跑得最快。

那么第二次熱潮的主題應(yīng)是科學(xué)競賽，比的是誰先看得最深?！薄叭藗円呀?jīng)不滿足于到行星表面看一看，而是看向時間的深處——研究行星的演化歷史，看向空間的深處——研究行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，看向人類的深處——研究生命起源和尋找地外生命。”

這次，“祝融號”選擇巡視的烏托邦平原南部，過去美國的“海盜二號”也曾在此著陸，但著陸的方向偏北。該平原位于一個巨大的盆地中，位于古海洋與陸地的交界面，永久凍土層可能正好藏在該平原地表以下。有古代火神寓意的“祝融號”即將在這一寬闊的平原上度過90 個工作日。

這90 天，是中國航天人用過去5 年的日夜，以此點燃中國星際探測的火種。

（摘自“南風(fēng)窗”微信公眾號，知止圖）