“天問一號”啟程“探火”

“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？”2000多年前，屈原一首《天問》 抒發了古人對宇宙萬物的好奇和追問。

2000多年后，我國“天問一號”的升空，則為這份“問卷”標注了當代科學的一種回答。

7月23日12時41分，我國首個火星探測器“天問一號”搭載長征五號運載火箭在海南文昌航天發射場成功發射。升空后，它將經歷7個月左右的長途跋涉，于2021年2月左右抵達火星，進而變軌進入停泊軌道，4月擇機登陸。

名稱源于屈原長詩

國家航天局總工程師葛小春介紹，“天問”的名稱源于屈原長詩《天問》，表達了中華民族追求真理的堅韌與執著，體現了對自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學真理征途漫漫，追求科技創新永無止境。

據了解，我國首次火星探測任務名稱和圖形標識全球征集活動于2016年8月啟動，共收到工程名稱35 912個，工程圖形標識7439個。經專家評審篩選，分別產生工程名稱和圖形標識前8名，之后又在網絡上開展了為期兩個多月的公眾線上投票。這8個工程候選名稱分別為“天問”“鳳凰”“追夢”“朱雀”“鳳翔”“騰龍”“麒麟”“火星”。經過網絡投票，“天問”排名第一，得票31.7萬余張。

專家表示，《天問》出自《楚辭》，作品對天地、自然和人世等一切事物現象進行想象與發問，從宇宙之本源，到陰陽之俱化；從天地之構造，到星辰之往亙。以“天問”作為工程名稱，體現了中華民族傳統文化精髓，易于廣大群眾接受，便于記憶和傳播，也彰顯了中國人邁向更遠深空的決心和毅力，引導公眾特別是青少年樹立熱愛科學、崇尚科學的理想情懷。

火星探測任務的圖形標識同樣通過征集和網絡投票，同時組織了專業設計團隊和知名專家進行優化設計。象征“攬星九天”的標識中，太陽系八大行星依次排開，表達了宇宙的五彩繽紛，呈現了科學發現的豐富多彩。開放的橢圓軌道整體傾斜向上，展示了獨特字母“C”的形象，代表了中國行星探測（China），體現著國際合作精神（Cooperation），標志著深空探測進入太空的能力（C3）等多重含義，展現出中國航天開放合作的理念。

專家特別介紹，此次標識設計以行星探測重大工程作為一個整體概念，統一命名并設計標識。根據不同行星探測任務，標識下方的“Mars”(火星)標志以行星英文名稱進行替代。

“攬星九天”標識（圖/央視網）

火星為何這么“火”

在太陽系的各類星球中，火星無疑是迄今最讓人類感興趣的一顆。不僅因為它是離我們最近的行星，而且它與地球有諸多相似之處，相關研究已經找到了火星存在水的證據，讓人類更好奇那里是否有過生命，它是地球的過去還是未來。這讓火星成為人類關于地外生存的想象中，最有可能的一個目的地。

自1960年蘇聯發射人類首顆火星探測器起，迄今的火星探測可以分為三個階段。第一階段是1960年至1975年，美蘇在冷戰背景下開展火星競爭，掀起第一輪高潮，一共實施了23次任務，其中1976年美國“海盜1號”“海盜2號”兩個探測器相繼著陸，成為最早的火星登陸者。第二階段是從1976年至1990年，隨著美蘇競爭戰略重點轉移，火星探測進入低潮期，僅實施2次任務。第三階段是20世紀90年代至今，迎來第二個高峰期，這一時期以發展新技術和獲得科學發現為主要驅動力。

中國科學院院士、地球化學與天體化學家歐陽自遠在一次演講中說，對火星生命的探尋，是火星探測的第一個科學問題，其次才是火星本身的地質、磁層、大氣等問題。但所有火星探測都沒有發現任何生命活動的跡象，盡管如此，人類從未放棄這一努力。

歐陽自遠在文章《火星探測的主要科學問題》中表示，從火星獨特的地形地貌特征（如河網體系、海洋盆地、極區冰蓋的消長等）和接近地球的表面環境來看，仍有理由認為火星過去存在生命活動。在他看來，關于地外生命存在的探尋，不僅反映了人類的好奇心，更是人類探索太空的動力和社會責任。

越來越多的探測結果表明，火星有水或曾經有水體的活動。美國“奧德賽”探測器發現火星大氣中有微量水蒸氣，“火星勘測軌道器”通過雷達探測器發現火星地表下有水冰層。2015年，美國國家航空航天局（NASA）宣布在火星表面發現了液態水活動的“強有力”證據，認為火星表面的溝壑很可能是高濃度咸水流經的痕跡。

科學家還在地球上搜尋火星生命的蛛絲馬跡。許多國家在地球南極收集到類型眾多的火星隕石，發現了大量類似細菌狀的“化石”，以及碳酸鹽瘤體的微結構和類似生物膜的微結構。2014年，中國科學家在一塊火星隕石中發現了碳顆粒，并認為這可能是火星生命產生的碳。不久后，美國也宣布通過“好奇號”發現了同樣的結果。

更雄心勃勃的目標是為人類移民尋找目的地。

火星與地球有許多相似之處。例如，地球上的一天約為23小時56分，火星約為24小時37分，幾乎有相同的晝夜長短；地球公轉軌道面和赤道面夾角約為23°26′，火星約為25°，有幾乎相同的季節變化。這些相似性都表明，火星是適宜人類居住改造的最佳候選行星，何況距離還如此之近。

當然，火星不利于生存的條件也非常明顯：火星表面平均溫度為-40℃～-60℃；火星表面比地球表面具有更強的宇宙高能粒子輻射，引力只有地球的38%，大氣壓力僅為地球的1%。在移居之前，人類還需進行大規模的環境改造。

歐陽自遠認為，載人登火將是21世紀最宏偉、最復雜的航天工程，是航天大國實施載人航天的最高目標。通過國際合作實施火星登陸、火星改造和火星利用，人類有望在未來幾個世紀中，將火星改造成適宜人類生存與發展的綠色星球。

7月23日，“天問一號”成功發射（圖/新華視點官方微博）

一次實現“環繞、著陸、巡視探測”

“天問一號”火星探測器由著陸巡視器和環繞器組成（圖/中國航天科技集團官方微博）

當天發射圓滿成功，長征五號遙四運載火箭成功將探測器送入地火轉移軌道，但這只是“天問一號”一次性完成“環繞、著陸、巡視探測”系列任務的第一步。據介紹，火星探測器將在地火轉移軌道飛行約7個月后，到達火星附近，通過“剎車”完成火星捕獲，進入環火軌道，并擇機開展著陸、巡視等任務，進行火星科學探測。

具體來講，任務后續計劃分為以下幾個環節：一是器箭分離后，探測器太陽翼和定向天線相繼展開，在測控系統支持下，飛行約7個月抵達火星，其間進行深空機動和中途修正。二是探測器進入環火軌道并經過制動后，通過2至3個月的環繞飛行后首選進入窗口，其間在著陸區上空對著陸區開展探測。三是探測器擇機實施降軌機動，著陸巡視器與環繞器分離。環繞器升軌返回到停泊軌道，為著陸過程提供中繼通信。四是著陸巡視器進入火星大氣，依次完成配平翼展開、降落傘開傘、大底分離、背罩分離、動力減速、懸停、避障及緩速下降、著陸緩沖等動作，在火星烏托邦平原軟著陸。五是著陸巡視器安全著陸后，火星車與著陸平臺解鎖分離。火星車駛離著陸平臺，開始巡視探測。環繞器進入中繼軌道，為火星車提供中繼通信，兼顧科學探測。六是火星車完成探測任務后，環繞器進入使命軌道，開展火星全球遙感探測，兼顧火星車擴展任務中繼通信。

我國首次火星探測任務起步雖晚，但起點高、跨越大，從立項伊始就明確提出在國際上首次通過一次發射，完成“環繞、著陸、巡視探測”三大任務。如果這一目標能夠在“天問一號”任務中順利實現，我國將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。

據專家介紹，首次火星探測任務的工程目標，一是突破火星制動捕獲、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；二是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。

中國首次火星探測任務的科學目標，主要是實現對火星形貌與地質構造特征、火星表面土壤特征與水冰分布、火星表面物質組成、火星大氣電離層及表面氣候與環境特征、火星物理場與內部結構等研究。

為了相關科學目標，火星環繞器攜帶7臺儀器，火星車攜帶6臺儀器，計劃通過一系列科學探測建立起對火星全面而基礎的認識。

全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩表示，這在人類火星探測史上是前所未有的。采用這種“一舉三得”的探火方式，起點高、效益高，但挑戰大。如果成功，我國深空探測能力和水平將實現跨越式發展，成為世界第三個在火星著陸的國家，第二個在火星巡視的國家。此外，環繞器對火星進行普查，火星車可以在著陸區火星表面詳查，這樣就可以一次性獲得更多成果。

中國航天技術專家黃志澄表示，這次如果能“一氣呵成”完成三大火星探測任務，將創造一個人類探火的新紀錄，證明中國航天技術已經步入世界先進行列，將是中國航天發展史的一個里程碑。

奔“火”路上困難重重

我國首次火星探測任務要一次性實現“環繞、著陸、巡視探測”三大任務，這在世界航天史上前所未有，難度和挑戰也非比尋常。目前，“天問一號”已經在距離地球數百萬公里之遙的奔火軌道上極速前進，探測器各項功能及運行情況良好。探火之路，旅途漫漫，在奔向火星的路途上，“天問一號”究竟會面臨哪些難點和風險？

臨門一腳：高難度“踩剎車”上火星

火星捕獲是火星探測任務中技術風險最高、最為重要的環節之一，在火星探測器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲的機會只有一次。利用火箭助推，探測器獲得了擺脫地球引力的能量，使用精心設計的轉移軌道，讓探測器最終能夠順利抵達火星附近。

然而，由于攜帶的推進劑有限，環繞器在抵達火星后，必須把握住唯一的機會對火星進行制動捕獲。此次火星探測任務捕獲時探測器距離火星僅400公里，而此時探測器相對火星的速度高達4到5公里每秒，一不留神就會撞擊火星或飛離，捕獲的成功與否成為火星探測任務成敗的關鍵。

在這一制動捕獲過程中，火星環繞器面臨諸多挑戰。由于捕獲時探測器距離地球1.93億公里，單向通信時延達到10.7分鐘，地面無法對這一制動過程進行實時監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略。此外，在制動過程中，環繞器需要在自身出現突發狀況時自主完成相應處理，最大限度保證火星捕獲成功。

深空通信：實現4億公里超遠距離通信

環火星飛行階段，由于地球和火星的運行規律，探測器距離地球最遠達到4億公里。為了解決超遠距離通信問題，火星環繞器裝備了測控數傳一體化系統，實現了系統重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標。

為補償空間衰減，火星環繞器配置了大功率行波管放大器以及大口徑可驅動的定向天線，大幅度提高探測器到地球的通信能力。

自主管理：部分時間需自行完成任務

通常情況下，環繞地球運行的衛星都是由地面控制中心根據衛星的實時狀態和任務要求進行控制的。但火星環繞器由于其探測器到地球的距離遠，通信延時大，無法完全依靠地面指令對星上出現的突發狀況進行實時處理。

此外，環繞器與地面站通信有其空間的特殊性，導致通信中斷（日凌）的時間最長可達30天，其間需依靠自身完成長期任務管理，并在出“日凌”后及時調整天線指向，迅速重新與地面建立聯系。

據悉，在此次火星探測任務的關鍵節點，自主管理同樣需要發揮巨大作用。在火星探測器進行環繞器與著陸巡視器分離時，環繞器需在短時間內完成3次調姿和2次變軌，對姿態、位置測量及控制精度要求非常高。正是依靠自主在軌管理系統，火星環繞器才能夠精準、及時地完成與著陸巡視器的分離。

多樣載荷：給火星拍個“中式定妝照”

此次火星環繞器上共搭載7種有效載荷，可對地火轉移空間、火星軌道空間、火星表面及其次表層開展科學探測，獲取行星際射電頻譜數據、火星表面圖像、火星地質構造和地形地貌、火星表層結構和地下水冰分布、火星礦物組成與分布、火星空間磁場環境、近火星空間環境和地火轉移軌道能量粒子特征及其變化規律。

其中，中分辨率相機可對火星全球開展地形地貌普查，高分辨率相機可對火星重點地區開展局部高分辨率地形地貌詳查，將為火星拍下來自中國的“定妝照”。

深空探測下一步怎么走

今年4月24日公布“天問一號”任務名時，我國更長遠的行星探測計劃也浮出水面。

據國家航天局消息，“天問系列”將成為中國行星探測的任務名，“天問一號”是其中第一次任務。這意味著，中國行星探測已經形成整體概念，目光已投向超越火星的更遠行星。根據目前公布的計劃，我國第二次火星探測任務定于2028年左右，將在火星上采樣返回。2030年前我國計劃開一次小行星探測，之后還計劃進行木星系及行星際穿越探測。

早在嫦娥一號任務成功之后，國內專家就開始謀劃我國深空探測后續發展。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了發展規劃和實施方案論證。中國航天科技集團五院的院士、專家團隊參與論證工作，對實施方案進行了三輪迭代和深化，最終于2016年1月正式立項實施火星探測。

中國探月元老葉培建院士多年呼吁開展行星探測，他認為中國開展火星、小行星和木星探測以后，才能實現真正意義上的星際探測。

迄今為止，人類探測器的足跡已經遍及太陽系八大行星，中國剛剛邁出第一步。未來也有必要對八大行星進行探測嗎？中國探月工程副總設計師、中國航天科技集團有限公司科學技術委員會副主任于登云表示，掌握第一手資料自然最好，但還要考慮到國情，“我們要制訂適合自己的航天發展路徑，盡可能把國家實力展現出來，而不一定跟著外國跑。”他表示，未來的深空探測，一方面將解決最關鍵的能力問題，具備探測能力，但不一定每個行星都去探測。另一方面，對有代表性的星球要實施探測。

“天問一號”著陸平臺和火星車效果圖，火星車重約240千克（國家航天局新聞宣傳中心宣傳片截圖 ）

至于“天問一號”之后，下一次深空探測任務是什么，后續任務如何命名？于登云表示目前還沒有確定，不過“天問一號”任務成功以后，相信“二號”也將會啟動。（本刊綜合）■

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“胖五”轉正后首次發射

此次發射“天問一號”火星探測器是長征五號系列運載火箭（又稱“胖五”）第一次工程應用發射，標志著長征五號火箭關鍵技術已逐漸成熟，具備執行國家重大航天工程任務的能力和條件。在此次“探火”任務中，“胖五”表現亮眼，在飛出中國火箭最快速度的同時，將5噸重的“天問一號”送入地火轉移軌道。

在長征五號火箭出現之前，我國火箭在不同軌道的最大運載能力分別為地球同步轉移軌道（GTO）約5.5噸（長征三號乙火箭）和近地軌道（LEO）約13.5噸（長征七號火箭），長征五號火箭的出現極大地提高了這些數字。長征五號火箭總設計師李東介紹稱：“作為我國首型5米芯級直徑的大火箭，長征五號火箭地球同步轉移軌道運載能力可達14噸左右，為建設空間站而研制的長征五號B火箭近地軌道運載能力可達25噸。”

為了確保完成首次工程應用發射任務，“胖五”做了精心準備。根據發射任務要求，“胖五”需要托舉火星探測器加速到每秒11.2公里以上的速度，將探測器直接送入地火轉移軌道，開啟奔向火星的旅程。此次“胖五”發射“天問一號”探測器，在國內首次達到并超過第二宇宙速度，飛出中國運載火箭的最快速度。

對于普通發射任務，1個發射窗口只需要設計1條火箭發射軌道。此次任務則不同。如果把發射比作打靶，發射“天問一號”探測器就是在打移動靶，因為地球和火星的相對位置在不斷變化，只有不斷調整發射軌道，才能讓探測器入軌更精確，在奔火過程中節約燃料。為此，研制團隊共設計42條發射軌道，這在中國航天史上絕無僅有。

據專家介紹，長征五號系列運載火箭接下來會更加忙碌，比如，長征五號火箭將繼續深空探測之旅，在年內發射嫦娥五號月球探測器實現對月球樣本的采用返回；長征五號B火箭將作為空間站建設的“專屬列車”，在未來2至3年內相繼完成空間站核心艙和實驗艙的發射。