火星探測，中國從此出發
——從認識火星到中國首次火星探測任務立項

文/ 陳立 趙聰

長征五號運載火箭成功發射天問一號火星探測器 王磊攝

人類對火星的探測任務接近半數都失敗了，幸存者們則帶著滿腹好奇，拍下了熔巖平原、沙丘之海、環形山和深邃的峽谷，甚至發現了古老星球水源遺留的痕跡。

微觀與宏觀，往往構成人類認知世界的兩個極端。如今，人類針對火星開展的探測活動試圖將兩個極端融合起來——在宇宙中尋找生命的起源。火星，這顆人類孜孜以求探索了60年的紅色星球，正一點點地被揭開神秘面紗。人類認識宇宙，認識生命的邊界也在不斷擴展。

7月23日，中國邁出行星探測第一步——去火星。12 時41 分，長征五號運載火箭在中國文昌航天發射場首次執行應用性發射，成功將首次火星探測任務天問一號探測器精準送入地火轉移軌道。

火星探測，中國從此出發。

火星狂想曲

在西方，火星同樣進入各式神話與想象之中，被視作“戰神”的象征。一直到近代，由天文望遠鏡和天文愛好者一同締造的“火星運河”概念，還一度在西方掀起人們對這顆紅色星球的熾熱狂想。

20 世紀，高倍望遠鏡和光譜分析等技術手段的出現，奏響了新一輪的火星狂想曲。后來借助飛速發展的航天技術，人們甚至將探測器送到這枚紅色星球的上空，有的甚至與它進行了“親密接觸”。火星，這顆與地球最近也相隔5500 萬公里的地外行星，終于不再被文學想象所獨占，開始步入現代科學的探索范疇。

火星一直以來都是人類深空探測的熱點。從20 世紀60年代開始，人類共實施了45 次火星探測任務（含不久前剛發射的阿聯酋“希望號”任務）。“可以說，除月球之外，火星是最受關注的天體。”中國首次火星探測任務工程副總設計師兼地面應用系統總指揮李春來說。

現代科學研究發現，在太陽系的八大行星中，火星與地球最為相似：兩者自轉周期相似，一個火星日大約是24 小時39 分鐘；而且火星和地球一樣有四季更迭。火星的質量和體積小于地球，它的半徑約為地球的1/2、體積約為地球的1/7。火星內部能量更快散失，更早地進入了衰老期，為地球展示了一個完整的演化歷史。科學家認為，這對認識地球的過去、現在和未來，有著不可替代的作用。

火星

隨著火星的神秘面紗逐漸被掀開，也將人類帶入了另一重基于科學探測的想象——火星上是否有生命存在？帶著疑問，在火星上尋找生命的遺跡，成為火星探測中最激動人心的目的之一。

地球VS 火星

老年星球的水之謎

尋找可能的生命，水無疑是一條重要的線索。水是生命賴以生存的最基本條件，是構成生物體的主要成分。我們生活在一個表面積71%由海洋覆蓋的藍色星球，那紅色明亮的火星呢？

30 多億年以來，火星表面一直處在與現代火星環境相似的寒冷且干旱的狀態，表面不存在液態水，實際探測也證實了這一點。但是，在火星次表層是否存在地下水？地下水系統能維持多長時間？

不同濃度地桃花提取物表現出對刺莧和稗生長初期不同程度的抑制作用。地桃花在我國分布廣泛且具有較強的生長能力和繁殖力，對地桃花提取物除草活性化合物的進一步研究，可為其作為一種天然的除草劑和生長抑制劑提供更科學的依據。

為了回答這些問題，人類一方面發射火星探測器，利用各種遙感技術對火星進行全方位的探測；另一方面借助高精度和高空間分辨的現代分析技術，在實驗室對火星樣品（即火星隕石）進行分析測試。

大量探測結果表明，約35 億年之前，火星有過一段溫暖濕潤的時期，曾有河流、湖泊和海洋。主要證據之一是河流沖刷形成的地形地貌。對火星表面化學組成和礦物組成的探查，進一步證實液態水的存在，其中包括巖石在水的作用下發生風化形成的粘土礦物，以及湖泊蒸發沉淀出來的鹽類礦物。美國好奇號火星車曾對著陸區的蓋爾撞擊盆地進行詳細調查，證明那里以前是湖泊。

火星在最明亮的時候看上去如同一顆火球，其實它溫度極低，接近于地球的南極。呈現紅色的原因，是因為火星的土壤富含氧化鐵，就像土地生了銹。這是風與水雙重侵蝕作用的結果，由此也證明火星曾經存在過大量的水和大氣。

蓋爾撞擊坑可能存在過湖泊的假想圖

一項項科學成果的出現，加深了人類對火星的認識：火星曾有足夠的內部熱能、地質構造活動強烈、巖漿—火山作用活躍，形成了太陽系最高的火山山峰——奧林帕斯山和太陽系最長的峽谷——水手大峽谷；火星曾有比現在濃密得多的大氣層，表面存在過液態水，火星表面觀測到干涸的水系、湖泊和海洋盆地，有過適宜生命繁衍的環境，并可能孕育過生命；火星存在小天體撞擊形成的巨大撞擊坑和洪水沖刷的痕跡。對火星電離層的探測還發現，由于缺少偶極磁場保護，在太陽風粒子的轟擊下，火星上的氫離子與氧離子以2 ∶1 的比例逃逸，解釋了另一部分水的丟失之謎。

如今，火星已經是一顆老年期的行星。人類對它的探測成果，大大促進了太陽系起源與演化、地外生命信息探尋、比較行星學等深空探測重大科學問題的研究，并激發了深入探測火星甚至載人探測的熱情。

“中國也渴望加入到探測隊伍中來。探測和研究火星，最終目的是為地球和人類社會的可持續發展服務。”中國首次火星探測任務工程探測器系統總設計師孫澤洲說。

奧林帕斯山

中國深空探測的起點

在“嫦娥一號”任務取得圓滿成功后，中國也在謀劃深空探測后續發展，火星很快進入視野。孫家棟、葉培建等院士提議要搶占先機，啟動探火任務。

2010年8月，8 位院士聯名向國家建議：開展月球以遠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發展規劃和實施方案論證。火星探測，成為中國深空探測的起點和重點。

另一方面，中國還以國際交流合作的形式，嘗試“搭車”去火星。2011年11月8日，由航天科技集團上海航天技術研究院509 所研制的螢火一號探測器和俄羅斯的“福布斯—土壤”探測器一起搭乘俄羅斯運載火箭起飛，“螢火”取自“熒惑”諧音。但“福布斯—土壤”探測器未能按照計劃變軌，隨后，有關方面宣布放棄獲取探測器信號的嘗試，任務以失敗告終。

“螢火一號”出現意外之后，中國決心自主開展火星探測任務。有專家總結，中國要想實現自主深空探測，除了探測器這個“主角”，還要解決運載火箭推力不夠的問題，并織起更強大的深空探測網。

探測器系統副總指揮李振才回憶：“2013年3月，航天科技集團的專家提出‘我們自己上火星’，一步實現環繞、著陸、巡視探測的目標。”

水手大峽谷

2014年9月，國防科工局探月與航天工程中心召開首次火星探測任務先期啟動會，明確了要圍繞探測器這條主線，啟動先期研制工作。中國空間技術研究院立即成立型號研制隊伍，從2014年10月開始“自掏腰包”，先動了起來。那時，一些重要的試驗保障設施還不齊全。

在對實施方案經過三輪迭代和深化后，中國首次火星探測任務（天問一號任務）于2016年1月批準立項，把目標定為：在國際上首次通過一次發射任務，實現火星環繞、著陸、巡視探測，成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家。

當時，我國已成功完成數次月球探測任務，為探火任務打下了基礎。探火任務由工程總體和探測器、運載火箭、發射場、測控、地面應用五大系統組成。

工程目標為：突破火星制動捕獲、進入/下降/著陸、長期自主管理、遠距離測控通信、火星表面巡視等關鍵技術，實現火星環繞探測和巡視探測，獲取火星探測科學數據，實現我國在深空探測領域的技術跨越；建立獨立自主的深空探測工程體系，包括設計、制造、試驗、飛行任務實施、科學研究、工程管理以及人才隊伍，推動我國深空探測活動可持續發展。

螢火一號探測器模型

科學目標則是通過環繞火星探測和火星表面巡視探測，研究火星形貌與地質構造特征；研究火星表面土壤特征與水冰分布；研究火星表面物質組成；研究火星大氣電離層及表面氣候與環境特征；研究火星物理場與內部結構。

五大系統就位，“天問一號”啟程

中國深空探測“領路人”之一的葉培建院士，回顧自己在參與“東方紅一號”的年代，根本不敢想象有生之年還能看到中國邁向火星。他賦詩曰：“紅色星球走一回，四億征程只等閑。”

2016～2018年，探測器的初樣研制工作歷時兩年，做了800 多個專項試驗。2018年9月，探測器轉入正樣研制階段；2020年3月，探測器順利通過出廠評審，4月初運抵文昌航天發射場。

探測器系統總指揮赫榮偉表示，在不到4年的時間內，探測器完成研制驗證、出廠，這是所有參研單位的工程師、科學家辛勤勞動所得的，大家創造了中國航天同類型號的研制記錄。探測器的參研單位多達600 余家，多線并行，多地并進；各階段總裝、測試及大型試驗涉及大量的協調管理和資源保障工作；光軟件規模就高達155 萬行代碼……

“我們起步晚了，但3 個目標一次任務完成，起點很高；我們的成果來得慢了，但從工程立項到產品出廠這么快，是你們的光榮和自豪，更要珍惜這次機會。”葉培建對火星探測器研制團隊道出肺腑之言。

“而且，中國火星探測沒有重復其他國家的老路。”今年兩會期間，全國政協委員、中國空間技術研究院黨委書記趙小津表示，一次發射實現三大目標，這是其他國家火星探測任務從沒有過的，面臨的挑戰也是前所未有的。

去年11月14日，中國火星探測任務首次公開亮相。當天，中國國家航天局邀請部分外國駐華使館及國際組織人員，赴河北懷來觀摩著陸器懸停避障試驗。安全著陸是火星探測任務最艱巨的挑戰之一。因為現在的火星是一個干旱、寒冷的世界，大氣稀薄，塵暴肆虐，試驗旨在驗證探測器安全著陸火星的“本領”。

據火箭系統總設計師李東介紹，在此次火星探測任務中，具備5 噸地火轉移軌道運載能力的長征五號火箭，第一次達到并超過第二宇宙速度，將天問一號探測器送上通往紅色星球的“長途高速公路”。

“天問一號”發射成功， 指揮中心工作人員正在拍照留念 史嘯攝

中國首次火星探測任務標識

在深空探測的漫長旅途上，信號十分微弱，如果接收不到信號，就無法對探測器的運行狀態做出判斷和調整。北京航天飛行控制中心專家麻永平也表示，之前中國還沒有達到探測火星的測控要求，后續規劃中要建大口徑天線，慢慢具備火星探測、測控的能力。

為圓滿完成這次探測任務，測控系統基于現有航天測控網和深空探測網（包括北京航天飛行控制中心、佳木斯測控站、喀什測控站、阿根廷測控站等），在喀什站補充建設了3 副35 米口徑天線，與已有天線組成天線陣系統，以完成對火星探測器狀態監視、軌道測量、飛行控制、在軌管理和應急處置等任務。

2020年年初，地面應用系統在天津武清還建成了1 副70 米口徑天線，與已有地面數據接收天線進行組陣，接收火星傳回的科學數據。這副亞洲最大的單口徑全可動天線，將接收最遠4億公里外火星車傳回地球的微弱信號。

萬事俱備。2020年7月23日，長征五號踏焰而起，數億公里的“天問”之旅開始了。這也是中國火箭飛得最快的一次。