叩問天穹，遠征火星

牙牙

在第五屆中國航天日（2020年4月24日），中國行星探測任務(wù)被命名為“天問系列”，首次火星探測任務(wù)被命名為“天問一號”，后續(xù)行星任務(wù)依次編號。該名稱源于屈原長詩《天問》。在這首詩里，屈原對天地萬物發(fā)起了一連串“靈魂拷問”，例如“九天之際，安放安屬？”“日月安屬？列星安陳？”……兩千多年后，中國人終于“走出”地球，探索古人渴望而不能至的星空。

2020年7月23日下午，天問一號從海南文昌發(fā)射場，搭乘長征五號遙四火箭順利發(fā)射升空，奔赴火星。根據(jù)計劃，經(jīng)過約200天的飛行后，探測器將抵達火星軌道，于2021年2月11日至24日環(huán)繞火星運行，并于2021年4月23日降落一臺火星車到火星表面，進行時長90個火星日的探索工作。

為什么是火星

火星是太陽系中與地球環(huán)境最為相似的行星，科學(xué)家認(rèn)為早期的火星曾是一顆有著廣闊海洋和濃厚大氣層的溫潤星球，但在漫長的演化過程中，火星的大氣層幾乎消失，失去大氣層保護的火星也因此變得干燥、寒冷。那么，火星上曾經(jīng)有過生命嗎？雖然目前火星上嚴(yán)酷的條件似乎難以支持生命活動，但近期美國的“好奇號”在火星上發(fā)現(xiàn)了一些可能與生命有關(guān)的跡象。了解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要意義，也對人類拓展生存空間具有重要意義。此外，火星探測相對于其他的行星探測來說，更容易實現(xiàn)。金星、火星雖然是地球的鄰居，但需要飛行6—10個月的時間才能到達。而要到達木星則需飛行7年。因此，縱使探測火星遠比探測月球復(fù)雜困難，我國還是義無反顧地借天問一號開啟了火星探測之旅。

去火星究竟有多難

截至阿聯(lián)酋“希望號”火星探測器發(fā)射之前，人類以火星為目標(biāo)開展的航天器發(fā)射任務(wù)有46次（其中2次任務(wù)的終點站不是火星）。在這46次發(fā)射中，連地球引力范圍都沒出的失敗案例就有11次，在成功前往火星的35次任務(wù)中，有5次在前往火星的路上失聯(lián)。

萬事開頭難

天問一號探測器是絕對的“重量級選手”，它足有5噸重。科學(xué)家們計劃讓天問一號利用一次發(fā)射完成環(huán)繞、著陸、巡視火星三大任務(wù)，也就是所謂的“繞落巡”。因此，天問一號由3個大家伙組成：環(huán)繞器負(fù)責(zé)帶著著陸巡視組合體抵達火星附近;著陸巡視組合體包含進入艙和火星車兩部分，進入艙（著陸架）負(fù)責(zé)帶著火星車進入大氣層;而火星車負(fù)責(zé)在火星表面巡視探測。不過，環(huán)繞器對火星車的作用不止于“帶一程”，它還會持續(xù)為火星車提供通訊中繼服務(wù)。

想要一次把重達5噸的大家伙運上火星，首先必須解決的難題就是運輸工具——火箭。要知道，與40萬公里外的月球相比，火星可遙遠得多。火星和地球都是環(huán)繞太陽運行的行星，這意味著，兩者的距離會不斷變化：地球和火星位于太陽兩側(cè)，距離最遠時，大約相距4億公里;而位于太陽同側(cè)，距離最近時，兩者也相距了5460萬公里。也就是說，即使是地球與火星最近的時候，兩者之間的距離也是地月之間距離的150倍。

不過，直線距離的對比，對我們了解火箭的發(fā)射難度其實并沒有直接的意義，因為不管是去月球還是去火星，探測器都不是直線飛過去的，而是通過火箭的運力把探測器送入一個大橢圓軌道，讓探測器飛著飛著就自然而然地和火星“相遇”。這個大橢圓軌道就是傳說中的“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”。從地球到火星的霍曼轉(zhuǎn)移軌道，這樣的發(fā)射窗口每26個月一次。之所以選擇讓探測器以這樣的方式飛往火星，完全是因為相比于珍貴的火箭燃料，時間可以說是極其廉價的——為了盡可能節(jié)省燃料，在路上多花上個一年半載的時間根本不是事兒。盡管路程不等于直線距離，但去往更遙遠的火星，依然需要我們有更強大的火箭。直到2019年12月27日，長征五號遙三運載火箭成功將實踐二十號衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，天問一號才終于得到出發(fā)的保障，確定可以趕上2020年7月這次火星發(fā)射窗口。

死亡七分鐘

就深空探測來說，探測器發(fā)射成功僅僅是探測任務(wù)的“萬里長征第一步”而已，后面還有相當(dāng)多的挑戰(zhàn)在等待著天問一號，著陸火星就是其中較大的一個難關(guān)。因為下降階段的時長往往在幾分鐘到數(shù)小時不等，所以美國人喜歡將該階段稱為“死亡七分鐘”。從1960年人類第一次嘗試發(fā)射火星探測器至今，火星探測器一共有15次成功進入火星大氣層，但只有8次成功著陸并順利開展探測工作——近一半的失敗率讓這顆紅色星球獲得了“探測器墳場”的稱號。

著陸火星比著陸月球要危險得多，這很大程度上要怪火星有大氣層。盡管火星大氣層很稀薄，表面大氣壓只有地球的6%，但也足以形成一個屏障，讓毫無防備的探測器“未達火星就先燒壞了”。但這并不是說火星大氣有害無利，事實上，火星大氣的存在讓著陸器有了利用大氣摩擦減速和使用降落傘減速的空間，這些都能緩解之后使用反沖火箭減速的壓力。總之，相比于簡單直接的月球著陸任務(wù)，火星著陸任務(wù)多了很多復(fù)雜的步驟。例如，著陸組件得先被塞進一個隔熱盾里保護起來，降落傘要能打得開、撐得住，減速到一定程度時隔熱盾還要打得開、拋得掉……這些都得靠探測器自主判斷和完成。

探求科學(xué)真理征途漫漫，追求科技創(chuàng)新永無止境。探索火星，我們已經(jīng)啟程，這注定是一條充滿挑戰(zhàn)的荊棘之路，但這也是中國想要邁向星際、去往更遠的星球所必須拿下的起點。