2020去火星

鄭永春，博士，中國科學院國家天文臺研究員，中國科普作家協會副理事長，青年科學家社會責任聯盟理事長，“科普中國”形象大使。

“窗口”將在新的一年里打開。

這是天體運行的客觀規律。2020年與已經過去的幾十億年并沒有什么不同，太陽系中的幾顆行星繼續在各自的橢圓軌道上，逆時針繞太陽行進。10月，火星將運行至地球與太陽連成的一條直線上，這種天文現象叫作“火星沖日”。而每隔26個月，地球和火星這2個星球之間的距離將達到最近，錯過這次照面，要再等780天。

為了把握這距離更短、燃料更省的發射機會，美國國家航空航天局和歐洲空間局的火星探測器將于7月從美國卡納維拉爾角的航天發射基地出發。過去大半個世紀中，在18個火星沖日年里，全世界有48次以火星為目的地的航天任務，其中可被稱作成功的還不到一半。

2020年，在飛出地球、去往火星的航天器列隊中，將首次出現五星紅旗的標識，我們將見證中國第1次真正意義上的行星探索任務。中國的第1次，也將開創世界火星探測歷史上的l項新紀錄：在1次任務中實現軌道器的“繞”、著陸器的“落”、火星車的“巡”3個目標。

更遠的旅途

2020年夏天，中國自主研發的火星探測器將搭乘長征5號運載火箭，從海南文昌發射基地出發。它將沖出大氣層，進入環繞地球的軌道。接著，再經過多次加速，飛速直奔火星。

這段旅途實在有些漫長，要歷時7個月。近15年來，即便距離地球最近時，火星與我們的距離也有5500萬千米。此后，2顆星球之間的距離將越來越遠，最遠時達4億千米。以光速傳播的無線電信號，到月球只要1秒鐘，到火星卻需要20分鐘。

當探測器抵達火星后，必須狠狠踩下剎車，才能進入環繞火星的軌道。之后，探測器將分解為軌道器、著陸器和火星車，聯手執行探索任務。軌道器將環繞火星進行遙感探測，拍攝照片，收集數據;著陸器在隔熱罩的防護下，進入火星大氣層，之后用降落傘等多種技術手段進行減速，最終降落在火星表面.成功著陸后，火星車則會駛出，巡視這片陌生的土地。

因為相距遙遠，火星表面的航天器無法直接和地球聯系，需要通過軌道器進行中繼通信。而地球發給火星車的信息，也需要經過軌道器轉發。相互交流中的每個問題和應答間，有一段完全的空白，這就要求火星車走得更慢一些，同時具備更強的自主導航、環境感知、路線規劃和避障等能力。

這些航天器和調整飛行軌道的燃料都需要從地球上帶過去，裝載的東西太重，路程太遠，小貨車就不夠用了，需要大卡車。長征5號就是一架直上云雷的大卡車，常被昵稱為“胖五”，全長約57米，直徑5米的“腰圍”比長征系列的其他火箭都要雄壯;120噸的液氧煤油發動機，起飛推力超過1000噸，提供了中國火箭能達到的最大運載能力。

2016年，長征五號遙一火箭首飛，出現故障，推遲了2個小時才出發;2017年，長征五號遙二火箭發射失利，星箭墜入太平洋。為了讓火星探測器趕在2020年的窗口前，胖五經歷數次技術歸零，回到原點，尋找問題，解決問題，之后再出發。2019年12月底，長征五號遙三火箭藍色的尾焰就像一只火鳳凰，劃破了海南文昌墨藍色的夜空，精準入軌，星箭分離。它準備好了！

更難的征程

上世紀60年代，美蘇爭霸開啟了深空探索的競賽。第1顆人造地球衛星斯普特尼克1號升空僅3年后，火星征程就開始了。此后10年里，蘇聯和美國12次嘗試飛越火星，僅4次成功，拍攝了圖像傳回地球;大多數時候，探測器抵達地球停泊軌道就被困住了。

上世紀七八十年代則在火箭相繼升空的點火聲中度過。在電視機和收音機旁，民眾聽著倒計時，揮舞著小旗幟，一邊嘆氣，另一邊便歡呼。東西方世界爭相鑿出星空之路。從火星2號到火星7號，從水手7號到海盜2號，形態各異的探測器飛向火星，有的失蹤在奔赴途中，有的燒毀在下降路上，有的撞碎在火星表面，有的則突然間信號全失。

貫穿于這個時代的還有“銀河系食尸鬼”的傳說——一個巨大貪婪的生物，橫亙在從地球飛往火星的道路上，把探測器都吃掉了。1993年，美國發射的火星觀測者號與地面失聯，8.13億美元灰飛煙滅。此后，美國國家航空航天局痛定思痛，提出了新的火星探索指導方針：更快，更好，更便宜。

2000年之后，火星車隆重登場。勇氣號、機遇號這對雙胞胎火星車先后登陸在子午線平原和古謝夫環形山。更大、更重、功能更強大的好奇號火星車則于2012年8月登陸在蓋爾環形山。它們穿越山谷，那里的巖壁投下的陰影長達數百米;它們路過平原，一連數個火星日都是一望無際的地平線。它們在亂石遍地的戈壁灘上艱難跋涉、逶迤蛇行;它們經歷塵暴，細細的沙塵被拋向離地幾百米高的空中，視野所及皆是紅色;它們也享受過晴朗的天氣和藍色的夕陽，地球遠懸頭頂，像一枚藍色彈珠。

中國火星探測工程于2016年立項，探月工程則開啟于2004年。玉兔和后來的玉兔二號顯然為火星車的研制奠定了基礎，但月球探測和火星探測的環境截然不同。月球土壤顆粒尖銳，月塵帶有靜電，火星則不存在這一問題。但火星上稀薄的大氣，讓登陸火星比登陸月球要難得多。火星大氣可能帶來塵暴，覆蓋太陽能電池板。氣壓和風向無法準確預測，給成功登陸增加了不可預知的因素。由于火星比地球更加遠離太陽，中國的火星車將有一對更大、更漂亮的“翅膀”，努力對著太陽的方向奔跑。

雖然月球任務與火星任務有各自的特點，但探月工程和火星探測計劃的繼承性也很明顯。繼承下來的，是人。探月工程的不少成員同時也參與了火星探測任務。年輕人曾駐扎在戈壁灘上，利用類似火星表面的環境展開實驗。

“兩彈一星”元勛錢學森說：“系統工程與總體設計部思想才是我一生追求的。它的意義，可能要遠遠超出我對中國航天的貢獻。”一次航天任務的背后，是成百上千的科學家和工程師組成的航天人，以及由他們運行的航天工程體系。它龐大而精細，既有總體又有分支，各個分支互相聯系，又互相影響。需要共同合力實現技術指標，需要在確定的時間節點交付產品。不同分支還需要進行聯合調試，確保系統運行順暢。一步出錯則數步延誤，一點成功又帶動多點突破。在一次又一次面向深空的遠航中，人類學會了如何成功。

更值得期待的前景

在2020年的開端，面向未來，火星不僅是夜空中那顆或明或暗、熒熒如火、讓人捉摸不定的紅色行星，更是一個孕育了無限希望的戰略制高點。當然，火星探測花費不少，是一個需要精打細算去接近的目標，再加上技術艱難，國際合作是必然之選。

人類曾一度寄望在火星上發現生命。19世紀天文學家從望遠鏡里看到連串的撞擊坑，曾經被誤認為是火星人開挖的運河系統。1976年海盜1號拍攝的l張照片上，丘陵的光影酷似1張臉。隨著我們對火星的了解越來越深入，科學家們的好奇心不減反增，他們列出了長長的待探測目標，但能夠實施的任務次數卻極為有限。著陸地點的選擇要兼顧科學性與安全性，既要較為平坦，不出意外;也要有足夠豐富的研究對象。即便以此標準，火星表面依然有太多的目標可供選擇。它的兩極覆有冰蓋，赤道處密布著細密的河網遺跡，記錄著曾經存在的水流運動。它的山峰比珠穆朗瑪峰還要高2倍，峽谷比科羅拉多大峽谷還要深，洪水的切割范圍比地球上任何地方都大得多。

2019年11月，在位于河北省懷來縣的地外天體著陸綜合試驗場，我國首次火星探測任務著陸器懸停避障試驗圓滿完成。在約為地球三分之一的模擬火星重力環境里，著陸器實現了懸停、避障、緩速下降。

2020年，更讓人興奮。在中國，這一年被稱為“火星年”。