下一站，火星

段崴 陳建 王蘊聰

首次火星探測任務低調研發數年之后，在2020年4月24日中國航天日正式獲得命名：天問一號。“天問”取自屈原長詩《天問》，“日月安屬，列星安陳”，叩問了大量天文現象和歷史事件，表達了對真理的求索，也與深空探測氣質相符。

2020年7月23日，中國首次火星探測任務“天問一號”探測器在海南文昌航天發射場啟程。中國拉開了向更遙遠的深空探測的序幕—開啟火星探測之旅。

7月23日12時41分，長征五號遙四火箭的點火升空，飛行2000多秒后，成功將“天問一號”探測器送入預定軌道。中國將通過一次發射，實現“繞、著、巡”（火星環繞、著陸和巡視探測）三大任務，這在世界航天史上尚屬首次，同時也邁出了中國自主開展行星探測的第一步。

“天問一號”啟程“探火”

7月23日，海南海濱的文昌發射場，昵稱“胖五”的長征五號運載火箭迎來第四次發射。與它的前三次發射一樣，在距離發射塔架數公里的海灘邊，來自全國各地的航天愛好者匯聚于此，等待點火發射的瞬間。

“長征5號”是中國目前運載能力最大的火箭，也幾乎是最年輕的長征火箭，它的每一次發射都是航天界的大事。尚在研制階段時，未來的任務清單上就寫滿了“明星”項目：嫦娥五號月球采樣、空間站組建……這次任務的目的地是火星，中國首次自主火星探測任務“天問一號”正式實施。這次任務也是長征五號系列運載火箭首次應用性發射，也是中國運載火箭首次執行地球-火星轉移軌道發射任務。

如果以飛行的距離劃分中國太空探索史，進入地球軌道是第一步，從地球軌道拓展到月球軌道是第二步，此次突破地月空間，到達另一顆行星，則是又一次跨越。

為了能將探測器直接送入地火轉移軌道，“胖五”以超過第二宇宙速度的11.2千米/秒，飛出中國火箭最快速度。這一速度被稱為第二宇宙速度，也被稱為“逃逸速度”。航天器只有達到該速度，才能完全擺脫地球引力，飛向太陽系內的其他行星。

根據計劃，在地火轉移軌道經過約7個月的飛行，“天問一號”探測器將到達火星附近，通過“剎車”完成火星捕獲制動，進入環火星軌道。再經過約3個月的環繞飛行后，將于2021年5月擇機實施降軌機動。著陸巡視器與環繞器分離后，環繞器升軌返回至停泊軌道，為著陸過程提供中繼通信；著陸巡視器將在火星烏托邦平原南部預定區域實施軟著陸。

“天問一號”探測器如何成功被火星的引力場捕獲，是任務中的關鍵點之一。

在首次火星探測任務中，火星探測器由環繞器和著陸巡視器兩部分組成，著陸巡視器將在火星表面軟著陸，并釋放火星車，在火星表面進行巡視探測。火星車將停留90個火星日（一個火星日約為地球上24小時37分鐘），開展巡視探測、火星地貌特征研究等多項任務。

探測器在“奔火”的途中一直處于高速飛行狀態，在著陸之前，需要先將速度從4.8公里/秒，降至著陸時的0。這個過程大概需要7—8分鐘，分4個減速段。雖然時間短，但卻是整個任務成功與否的一個關鍵點。

第一個階段是氣動減速段，探測器會踩下“急剎車”。

第二個階段探測器將打開降落傘。

第三個階段進入到動力減速段，探測器的反推發動機點火開始工作。

第四個階段在最后的100米還有一個懸停避障，即著陸緩沖段，這個時候的速度相對于地面速度0。在最后的著陸階段，探測器通過懸停在空中，此時探測器的速度已經很慢了，探測器會自主觀察火星表面，快速計算出最佳著陸點。最終它將水平移動到該點上方，伸出“四條腿”，并在穩定著陸后展開舷梯釋放火星車。

中國首次火星探測任務新聞發言人、國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤杰表示，此次火星探測任務的工程目標是實現火星環繞探測和巡視探測，獲取火星探測科學數據，實現中國在深空探測領域的技術跨越；同時建立獨立自主的深空探測工程體系，推動中國深空探測活動可持續發展。

在工程方面，首次火星探測任務的目標，一是突破火星制動捕獲、軟著陸、長期自主管控、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，實現中國在深空探測領域的技術跨越；二是建立完整配套的深空探測工程體系，推動中國深空探測可持續發展。

為什么是火星？

受天體運行規律約束，火星探測窗口每26個月一次，并且窗口時間較短。從1960年蘇聯發射首顆火星探測器至今，人類已經發射了近50顆火星探測器。1996年以來，幾乎每個發射窗口都有火星探測器發射，今年更是迎來了多國齊聚火星發射窗口。為什么人類對火星如此“情有獨鐘”呢？

深空探測是了解太陽系及其各層次天體形成與演化、生命溯源等一系列重大基礎科學問題的最有效手段，是人類進行空間資源開發利用和保護地球的重要途徑。因其可能是地外生命探索的主要目標天體及其可宜居等獨特性質，成為各國在深空探測領域中的熱點和生長點。火星探測，可以說是當前行星探測的重點目標。

火星探測在技術上并不容易，曾經一直是美國、蘇聯這樣的超級大國的專屬領域。在這近50次的火星探測活動中，成功和部分成功的任務僅有22次，目前僅有美國成功實現火星著陸并成功開展探測任務。如今，在這一世界頂尖科技探索項目中，有了中國的加入。

以往的探測發現了火星存在水的證據，火星上是否存在孕育生命條件以及火星是地球的過去還是地球的未來，成為火星研究重大科學問題。與此同時，研究火星對認識地球演變具有非常重要的比較意義。

年輕的中國“探火”人

中華民族的“天問”征途背后是無數航天人默默的付出與奉獻。從長征火箭、神舟飛船，到“嫦娥”“北斗”，接過航天前輩的精神傳承，新一代的航天人以星辰大海為抱負，上下求索，努力拼搏。

習近平總書記說：“一個時代有一個時代的主題，一代人有一代人的使命。”經過幾代航天人的接續奮斗，中國航天事業的面貌發生了天翻地覆的變化。

首次火星探測任務于2016年1月經黨中央、國務院批準立項，2020年4月被正式命名為“天問一號”，這也是中國首次行星探測任務。

“天問一號”任務由國家航天局組織實施，具體由工程總體和探測器、運載火箭、發射場、測控、地面應用等五大系統組成。國家航天局探月與航天工程中心為工程總體單位，中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院抓總研制運載火箭系統，中國空間技術研究院和上海航天技術研究院抓總研制探測器系統。中國衛星發射測控系統部負責組織實施發射、測控。中國科學院國家天文臺抓總研制地面應用系統、負責科學數據接收、處理、存儲管理等工作。

我和火星的緣分始于2017年8月。畢業后，我進入航天五院總體部，成為一名航天工程師，參與到火星探測器的綜合測試工作中。在經歷了初樣和正樣階段工作后，2020年，我調入探月與航天工程中心，參與工程總體組織工作，后來全程進駐發射場，參與到火星任務的發射實施階段工作中。4月5日進場到成功發射的100多天里，我在前方密切跟蹤探測器、運載火箭、發射場系統的發射準備工作的同時，還要兼顧后方的測控系統準備工作、飛控工作進展。火星任務，測控通信是一個難點，也是亮點，前期探測器系統的工作經驗和測控通信專業的基礎，都對我參與各大系統的工作組織和接口協調提供了較好的支持。

從大學畢業至今，我與航天結緣已有6年時間。在這次火星任務中，我負責“日例會”“日計劃”的組織匯報以及中心人員工作安排、物資保障等，同時還承擔新聞宣傳工作。這次任務意義重大，同時難度也大，又趕上疫情，同樣的事情與之前相比，這次卻要付出更多的努力，垂直轉運，箭在弦上，高負荷，快節奏已成為最后沖刺階段的標簽。

2011年碩士畢業，我進入上海航天工作時，正值國家深空探測規劃論證，一期重點任務就是火星探測，歷時5年，火星探測任務確定立項。在“天問一號”任務中我的工作是火星環繞器總體總裝，具體的工作職責是在設計階段負責火星環繞器總體結構和布局總裝設計，在研制試驗階段負責現場AIT（總裝/集成/測試）工作，對總體技術狀態負責。火星探測，因為天體窗口約束，每26個月才有一次發射機會。在立項時，研制團隊就明確了一個概念，火星任務沒有可以推的后墻，必須按照按時（窗口）、保質（可靠性）、保量（覆蓋性）完成任務。

我們承擔“天問一號”13臺有效載荷研制工作。從2014年參加有效載荷的論證工作至今，我已經工作了6年的時間。研制過程很是坎坷。多次出現從一個坑里爬上來，又掉入另一個坑里的情況。在發射場有這樣一個標語—“強者，都是流著淚奔跑的人”，我對此感觸非常深刻。航天領域有一個著名的環節就是“歸零”，有些問題經過艱苦的歸零，成功解決之后，在歸零評審會上經常有人眼里噙著淚水。正是由于全體參研人員的艱辛付出，我們有效載荷趕上了整個任務的進度，按期裝器來到發射場。

中國科學院承擔中國首次火星探測任務探測器有效載荷分系統的研制工作，針對火星空間環境、形貌特征、表層結構和大氣環境等方面開展科學研究。有效載荷總體是架起科學與工程之間的橋梁，將科學理想與工程約束相匹配，在適應資源約束的情況下，追求科學產出最大化。2016年初，有效載荷分系統正式進入工程實施階段，較探測器晚啟動近一年半，中科院有效載荷總體及各承研單位基本全年無休，按期完成了初樣、正樣產品的交付。進入發射場后，因為疫情防控需要，進場隊員人數進行了壓縮，13臺載荷設備同時在場峰值人數僅為50人，這是以往探月型號不敢想象的。

2017年4月，我畢業后來到航天五院總體部測試中心工作。測試中心是完成整星級測試任務的地方，也是距離衛星最近的人。我們要測試驗證衛星各單機設備主要性能、設備間接口性能以及整星級性能的部門，我們來確保衛星完美無瑕地轉入發射場等待發射。2017年底，我接任了火星探測器測試指揮的任務，緊接著就要完成模飛測試的重要測試任務—將衛星從發射到落火，再到火星車火面行走整個事件在地面進行模擬飛行試驗。在發射日當天，我有幸代表火星探測器系統，向發射場指戰員、向全體火星探測任務成員、向全國人民報告“探測器好”，這意味著火星探測器系統已經做好準備，可以發射了。

我是火星環繞器主任工藝師，主要是把各位設計師腦子里想的、圖紙和文件里面要求的給做出來，而基本上是從原材料級別開始的。我和我的團隊具體負責火星環繞器部分的生產、總裝和測試，大家現在從新聞里看到的，咱們探測器下部那個金燦燦的六邊形的環繞器，就是我和團隊成員一點一點從無到有做出來的。探測器在任務期間有各種機構的展開，比如太陽翼、各種天線和載荷。如何抵消地球重力場的影響，如何減少對活動部件的影響，如何對機構進行保護，這些都是我們一直在努力攻克和一遍遍考核驗證的難題，確實不容易。

進入基地之后，我們和試驗隊員同吃同住，有探測器轉運、火箭垂直轉運這些關鍵的節點，采訪拍攝了各大系統的研制人員，從總師到主任設計師，從工程總體到各個分系統。在文昌的這段時間，濕度80%上下，溫度35攝氏度左右，太陽在頭頂360度無死角地曬。我們到的時候，依舊是工作的高峰時期，探測器300多人，火箭200多人，再加上發射場工作人員，無數人在這片海岸邊的土地上忙碌著。即便面對各種困難、質疑，他們依舊是能夠把頭昂起來的新一代航天人。中國的航天事業已經發展了60多年，火星探測是中國行星探測的第一步，“一代人有一代人的長征”，接力棒已經交到了新一代航天人的手中。