探火坎坷，“天問(wèn)一號(hào)”還需趟多少難關(guān)?

freelee

“起點(diǎn)高、難度大”，這六個(gè)字是對(duì)中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)的中肯評(píng)價(jià)。2021年3月4日，距離“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器發(fā)射升空已經(jīng)過(guò)去224天。當(dāng)日，國(guó)家航天局發(fā)布3幅由“天問(wèn)一號(hào)”拍攝的高清火星影像圖，展示了“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)的階段性成果。

然而，“天問(wèn)一號(hào)”的征程遠(yuǎn)未結(jié)束。重頭戲著陸任務(wù)預(yù)計(jì)在5-6月。成功著陸后，“天問(wèn)一號(hào)”將“兵分兩路”：火星表面的著陸巡視器將執(zhí)行為期3個(gè)月的巡視任務(wù);而維持在火星軌道上的環(huán)繞器，還要進(jìn)行一個(gè)火星年（折合約兩個(gè)地球年）的深度探測(cè)工作。

繼承“螢火一號(hào)”“遺志”

國(guó)家航天局對(duì)“天問(wèn)一號(hào)”提出一次性實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”三大任務(wù)的目標(biāo)。“繞”即“環(huán)繞”，指探測(cè)器進(jìn)入火星軌道，可環(huán)繞火星收集各類數(shù)據(jù);“著”即“著陸”，探測(cè)器直接降落在火星表面;“巡”即“巡視”，探測(cè)器不但降落在火星表面，還可以派出火星車在表面移動(dòng)。

“天問(wèn)一號(hào)”是中國(guó)第—次自主火星探測(cè)任務(wù)。此前中國(guó)也制造過(guò)火星探測(cè)器。2011年11月，“螢火一號(hào)”搭載在俄羅斯的“福布斯一土壤”探測(cè)器中，在哈薩克斯坦的拜科努爾航天中心發(fā)射升空。可膳，俄方探測(cè)器未能按計(jì)劃變軌，“螢火一號(hào)”隨之被困太空兩個(gè)月后墜毀。

本次“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)完全由中國(guó)自主執(zhí)行。實(shí)現(xiàn)一次性“繞、著、巡”的目標(biāo)，在火星探測(cè)史上前所未有。中國(guó)敢于在本國(guó)的首次行星探測(cè)任務(wù)中，提出全球航天意義上的突破性目標(biāo)，配得上“起點(diǎn)高”的評(píng)語(yǔ)。

“難度大”則是火星探測(cè)任務(wù)本身的特性。自1960年蘇聯(lián)執(zhí)行“火星1A號(hào)”任務(wù)以來(lái)，各國(guó)近50次與火星相關(guān)的太空任務(wù)，成功率僅約50%。其中比較突出的成就，主要由美國(guó)和蘇聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

1965年，美國(guó)“水手4號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)飛掠火星。1971年，美國(guó)“水手9號(hào)”率先實(shí)現(xiàn)環(huán)繞火星軌道。蘇聯(lián)“火星3號(hào)”則第一次在火星表面成功軟著陸。1997年，美國(guó)“旅居者號(hào)”成為首臺(tái)在火星地表工作的火星車。

/繼承蘇聯(lián)太空科技成果的俄羅斯，都暫時(shí)沒(méi)有成功完成完整的火星任務(wù)。/

而到目前為止，成功按計(jì)劃完成火星任務(wù)的國(guó)家和地區(qū)只有4個(gè)——美國(guó)、蘇聯(lián)、歐洲、印度。甚至連繼承蘇聯(lián)太空科技成果的俄羅斯，都暫時(shí)沒(méi)有成功完成完整的火星任務(wù)。不過(guò)，俄羅斯與歐洲航天局合作的火星微量氣體任務(wù)衛(wèi)星已順利運(yùn)行4年，按計(jì)劃完成的機(jī)會(huì)很大。

印度是火星探索的新勢(shì)力。2013年，印度空間研究組織發(fā)射火星軌道探測(cè)器。探測(cè)器2014年進(jìn)入火星軌道后，原計(jì)劃環(huán)火研究6個(gè)月，但實(shí)際上繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)至今。運(yùn)作時(shí)長(zhǎng)超過(guò)7年，印度探測(cè)器可以說(shuō)是成功完成任務(wù)。

阿聯(lián)酋也想成為新玩家。它于2020年發(fā)射的探測(cè)器“希望號(hào)”，在2021年2月入軌，實(shí)現(xiàn)中東航天探索的一大突破。“希望號(hào)”的主要任務(wù)同樣是環(huán)繞。

所有實(shí)質(zhì)上執(zhí)行過(guò)火星相關(guān)的發(fā)射計(jì)劃的國(guó)家和地區(qū)中，只有日本暫時(shí)未取得明顯成果。1998年，日本發(fā)射一枚同樣名為“希望號(hào)”的火星探測(cè)器，但探測(cè)器未能進(jìn)入火星軌道。

著陸時(shí)機(jī)“短暫而唯一”

中國(guó)國(guó)家航天局探月與航天工程中心副主任、中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)新聞發(fā)言人劉彤杰曾分析，火星探測(cè)初期的難度在于人類航天技術(shù)處于起步階段，但目前的難度則與火星的實(shí)際條件相關(guān)。

比較典型的難題是窗口期。為了節(jié)省燃料和時(shí)間，發(fā)射火星探測(cè)器應(yīng)選擇地球與火星相對(duì)位置十分接近的時(shí)候。這個(gè)時(shí)機(jī)每26個(gè)月才出現(xiàn)一次，最近一次是2020年7-8月。

中國(guó)、美國(guó)、阿聯(lián)酋正是抓住這次窗口期，分別派出“天問(wèn)一號(hào)”“毅力號(hào)”“希望號(hào)”前往火星。錯(cuò)過(guò)窗口期，就只能再等兩年。

實(shí)現(xiàn)環(huán)繞火星是另一個(gè)難點(diǎn)。劉彤杰介紹，探測(cè)器進(jìn)入火星引力范圍后需要制動(dòng)減速，以便被火星引力捕獲。速度太快，探測(cè)器就會(huì)錯(cuò)過(guò)入軌時(shí)機(jī);速度太慢，引力會(huì)把探測(cè)器直接扯到火星表面。所以什么時(shí)候減速、減速到什么程度、減速節(jié)奏怎么樣，這都需要精準(zhǔn)計(jì)算。

2020年窗口期發(fā)射的探測(cè)器中，中國(guó)和阿聯(lián)酋探測(cè)器均于2021年2月10日成功進(jìn)入火星軌道，相關(guān)探測(cè)、數(shù)據(jù)收集工作相繼展開(kāi)。這對(duì)于均是首次探測(cè)火星的兩國(guó)來(lái)說(shuō)，都是成功的一大步。

美國(guó)則以巡視探測(cè)為目標(biāo)。承擔(dān)重任的“毅力號(hào)”直奔火星表面，于2月18日成功著陸。美國(guó)迄今已成功實(shí)現(xiàn)5枚不同的巡視器/火星車著陸。目前其“機(jī)遇號(hào)”“勇氣號(hào)”也和“毅力號(hào)”一樣，正在火星表面執(zhí)行各自的探索任務(wù)。

相比“毅力號(hào)”“簡(jiǎn)單直接”的目標(biāo)，由于肩負(fù)三大使命，“天問(wèn)一號(hào)”旅行的方式有明顯不同。“天問(wèn)一號(hào)”在環(huán)繞期間，將多次掠過(guò)目標(biāo)著陸點(diǎn)——北半球的烏托邦平原，開(kāi)展預(yù)著陸區(qū)成像探測(cè)，其間會(huì)多次調(diào)整軌道。完成一系列準(zhǔn)備工作后，“天問(wèn)一號(hào)”預(yù)計(jì)最快在5月?lián)袢罩憽?/p>

著陸才是“天問(wèn)一號(hào)”的最難一關(guān)，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院研究員、“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器總設(shè)計(jì)師孫澤洲稱，這個(gè)機(jī)會(huì)“短暫而唯一”。由于火星與地球通訊存在延時(shí)，在大約7分鐘的著陸過(guò)程中，沒(méi)有任何人為調(diào)整干預(yù)的機(jī)會(huì)，全靠探測(cè)器根據(jù)實(shí)際情況智能應(yīng)變。著陸過(guò)程要應(yīng)對(duì)火星大氣的影響：火星大氣比地球稀薄，探測(cè)器著陸時(shí)會(huì)遭遇一定阻力和摩擦生熱，但其性質(zhì)與在地球大氣時(shí)完全不同。對(duì)火星大氣了解程度不足，將為著陸過(guò)程帶來(lái)變數(shù)。

成功著陸后，新的難題在于火星車派遣。劉彤杰指出，如果著陸點(diǎn)不夠平坦，或者著陸器的著陸姿勢(shì)不夠正，都會(huì)影響到火星車出動(dòng)的方式。不過(guò)相比著陸，巡視因?yàn)榭梢越邮苋斯た刂频闹笓]，難度沒(méi)那么苛刻。

如何破解火星生命之謎

“天問(wèn)一號(hào)”火星車目前尚未定名。國(guó)家航天局選出了弘毅、麒麟、哪吒、赤兔、祝融、求索、風(fēng)火輪、追夢(mèng)、天行、星火10個(gè)候選名稱，供大眾投票選擇喜愛(ài)的名字。2月28日投票結(jié)束時(shí)，最受歡迎的名字是“祝融”，獲得50萬(wàn)票。

/對(duì)火星大氣了解程度不足，將為著陸過(guò)程帶來(lái)變數(shù)。/

祝融正是中國(guó)神話中火神的名字。腳踩風(fēng)火輪的另一位神話人物哪吒排名第二，票數(shù)44萬(wàn)。第三名是42萬(wàn)票的弘毅，典出《論語(yǔ)》“土不可以不弘毅，任重而道遠(yuǎn)”。任重道遠(yuǎn)，恰恰也是“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)的寫照。

一旦火星車順利派遣，“天問(wèn)一號(hào)”就進(jìn)入“天地并存”的階段。在“天上”的火星軌道，環(huán)繞探測(cè)器開(kāi)展對(duì)火星全球性、整體性和綜合性的詳查探測(cè)。在“地下”的火星表面，火星車專注于重點(diǎn)地區(qū)的高精度、高分辨率的精細(xì)探測(cè)和就位分析。

從大眾好奇心的角度來(lái)說(shuō)，“天問(wèn)一號(hào)”各項(xiàng)任務(wù)中，最吸引人的大概是“火星是否存在生命”。解答這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)然不是像科幻作品那樣用生命探測(cè)儀之類掃描，或者攝影機(jī)一通拍找出文明遺跡，而是真切地分析火星具體狀況，例如土壤、地下層特征研究，水冰分布、古代湖泊河流研究，表面礦物研究，氣候環(huán)境、電離層、磁場(chǎng)研究等。通過(guò)分析這些與生命密切相關(guān)因素的數(shù)據(jù)，我們才有機(jī)會(huì)判斷火星現(xiàn)在或曾經(jīng)有無(wú)生命的可能性。

實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”，“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)就算基本成功了。但中國(guó)火星探測(cè)的工作節(jié)奏，并不完全局限在“天問(wèn)一號(hào)”上。2020年年底，國(guó)家航天局宣布還在規(guī)劃三項(xiàng)行星探測(cè)任務(wù)，包括—次小行星的探測(cè)和取樣、—次火星的采樣返回、—次木星系環(huán)繞探測(cè)和行星穿越探測(cè)。

其中火星采樣返回，相當(dāng)于是一次“著、巡、回”三位一體的任務(wù)。火星的物質(zhì)樣本如何被帶回地球，又將是新的難題。當(dāng)然，達(dá)成“起點(diǎn)高、難度大”的探火成就后，未來(lái)中國(guó)航天人必將更有信心迎接更大挑戰(zhàn)。