中國的火星探測之旅

■文/張志會

火星探測是當今航天技術的前沿和航天強國的重要標志之一，雖然技術難度大，但是鑒于火星探測在國防、科研和民用領域的巨大潛在價值，許多國家在實施月球探測后紛紛開啟火星探測。

2020年7月23日，我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發射成功并順利入軌，目前正在執行既定研究任務。我國首次火星探測任務并非簡單重復美國、俄羅斯、歐洲火星探測的老路，而是設置了很高的起點，大大提升了我國空間探測器的研制水平，推動了我國行星探測和基礎科學研究的發展，使我國躋身國際空間探測領域先進行列。

那么，人類為什么要去火星？中國的火星探測又是如何醞釀和逐步實施起來的呢？

30年前已開展火星探測的必要性和可行性研究

中國月球探測工程首席科學家、中國科學院院士歐陽自遠曾說，中國開展火星探測的可行性論證幾乎與探月工程同步。20世紀90年代，我國許多專家學者就對我國開展月球探測的必要性和可行性進行過系統的論證，并一致認為：當時中國完全可以利用現有設備和條件，大部分采用現有的成熟技術，開展環月探測；在此基礎上，充分利用中國載人航天工程（921 工程）所發展的技術，進一步開展月球軟著陸探測工程；對于開展火星探測，盡管我國目前還不完全具備能力（如測控、運載等），但也應該開展一些預先研究和關鍵技術的攻關，在實施我國月球探測工程的過程中適時開展火星探測，并積極開展國際合作，使我國的火星探測融入國際主潮流。

1992年，國際空間年之際，中國空間專家就未來火星探測的組織機構與法律問題提出自己的建議。例如，中國專家建議由聯合國外層空間委員會作為最高層的組織機構，統一計劃、安排世界各國的火星探測活動，在該委員會內設立火星探測工作組，并提出在自愿的基礎上組建國際火星探測空間機構。這些建議引起了國際同行的巨大興趣。

“863”計劃和“973”計劃支持下開展火星探測預先研究

圍繞火星探測的預先研究，在國家“863”計劃和“973”計劃中關于“行星探測”方面的課題均得到部署和開展。空間物理學家、中國科學院院士劉振興早在20世紀90年代中期曾主持過我國“863”計劃中的一項軟課題——“我國開展火星探測的必要性和可行性研究”。他基于當時國外火星探測的現狀和發展趨勢，結合我國的國情，提出了我國火星探測的目標以及探測器粗略方案。可惜這個計劃并沒有被列入國家規劃，只是“研究研究而已”。但是，他的這一計劃在相當程度上是日后我國火星探測計劃的雛形，他也多次提倡中國應盡早對火星探測計劃進行預先研究，特別是一些關鍵技術，如火星衛星軌道計算、運載系統及大功率遠距離通信設備。2003年，自然科學基金會已將“地球空間環境與火星空間環境比較研究”列為重要資助領域。歐陽自遠院士也曾提倡，地外天體探測的基礎性研究應提前很多年著手。

為實施中國的火星探測計劃，“863”計劃在“十一五”期間設立了重大項目，開展火星探測器總體技術、自主導航技術、機構結構技術、大氣進入技術等專項研究。“973”計劃于“十二五”期間支持了兩個深空探測領域的綜合交叉項目，重點開展“火星精確著陸自主導航與制導控制、探測器巡航飛行高精度自主導航”等關鍵技術研究。

在“863”計劃和“973”計劃的支持下，我國科學家不僅調查了國外在火星等行星探測方面的進展與科學成果，研究了我國初期火星探測的科學目標和探測器方案，而且使我國突破了火星表面復雜形貌時空表征與識別、多尺度信息優化自主導航等前沿技術，研制了火星精確著陸導航與制導控制綜合仿真系統，為火星探測工程立項提供了技術支撐，并首次提出了開展火星探測的技術路線。《中國的航天》白皮書把“深空探測”作為空間科學的一個重要內容列入其中。

嫦娥工程的多年積累為火星探測提供技術基礎

經過多年發展，我國航天事業已經較成體系。2007年10月24日，嫦娥一號在西昌衛星發射中心發射升空，并于2009年3月1日按照計劃撞擊月球表面預定地點。嫦娥一號任務的成功實施使我國掌握了深空探測的一系列關鍵技術。探月工程二期后，我國建立完善了地面站，解決了測控通信等難題。正是由于這些技術積累帶來的信心和底氣，我國在2009年公布的《中國2050年科技發展路線圖》中明確列出：在2020年前后，建立長期有人逗留的近地軌道空間站，探測器可達火星。

2010年，趁著嫦娥二號月球探測器成功運行的東風，多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，對實施方案進行了三輪迭代和深化。但是，工程立項則要等到6年以后。

A Brief History

20世紀90年代

專家學者開始論證中國月球與火星探測的必要性與可行性。

20世紀90年代中期

劉振興院士在“863”計劃支持下完成《我國開展火星探測的必要性和可行性研究報告》。

1992年

中國空間專家就未來火星探測的組織機構與法律問題提出自己的建議。

2003年

自然科學基金會重點資助“地球空間環境與火星空間環境比較研究”。

2007年10月

嫦娥一號在西昌衛星發射中心發射升空。

2010年

嫦娥二號成功運行，多位院士聯名建議，開展月球以遠深空探測的綜合論證。

曾嘗試搭乘俄羅斯火星探測順風車而失敗

盡管嫦娥一號、嫦娥二號的成績令國人驕傲，但是中國科技界也深知，火星探測技術復雜，需要解決諸如4 億km 之遙的深空遠距離測控通信問題等諸多難題。于是，我國并沒有一開始就決定完全自主探索，而是選擇認真借鑒和學習美國與其他國家的火星探測活動，并努力爭取搭一下火星探測先發國家的順風車。當時，我國想到的是借俄羅斯之力。

2007年3月26日，在中俄兩國元首的見證下，中國國家航天局局長孫來燕與俄羅斯聯邦航天局局長佩爾米諾夫共同簽署了《中國國家航天局和俄羅斯聯邦航天局關于聯合探測火星- 火衛一合作的協議》，確定雙方于2009年聯合對火星及其衛星火衛一進行探測。從2007年6月開始，以上海衛星工程研究所為主的科研團隊花了兩年多的時間完成了螢火一號的研制，上海的科研團隊共攻克了探測器的5項關鍵技術。

同樣作為兩國合作的一部分，2010年6月3日17時至2011年11月4日18 時，我國航天員教員王躍及俄羅斯等國家的5 名志愿者參與了俄羅斯歷時520 天的“火星-500”計劃。志愿者模擬了飛往火星、環繞火星、登陸火星和返回地球等全過程。通過該項目的試驗，我國獲得了一些重要的火星探測試驗資料。

比原計劃推遲了兩年，2011年11月9日，我國首個火星探測器螢火一號搭載在俄羅斯的福布斯-土壤火星探測器上，搭乘天頂號運載火箭從拜科努爾航天中心發射升空。然而，福布斯-土壤火星探測器在發射升空后出現意外，在與運載火箭分離后未能按計劃實現變軌，螢火一號也不知所終。由于本次整個發射過程完全由俄羅斯控制實施，我國全程非常被動。此次失敗給我國火星探測帶來了一些技術和經濟上的損失，對中國獨立自主研制、發射火星探測器產生了反向激勵。

與俄羅斯合作的失敗經歷使中國航天界更加意識到，我國月球和火星探測相關研究起步較晚，目前仍面臨不少困難和問題，我們既要保持國際合作以充分利用深空探測資源，也要努力實現未來中國自主進行火星探測。鑒于中國火星探測需要形成更具有前瞻性的、明確的科學目標，并借鑒和總結國外的成果和經驗，2011年10月18—20日，由中國工程院、原國土資源部、中國科學院、中國航天科技集團公司主辦的“月球與火星探測科技高層論壇”在北京舉行。來自美國、法國、印度、日本等國的專家以及我國參與月球和火星探測的首席科學家及主要負責人，分別就國際新一輪探月地學研究成果、火星探測成果、各國月球登陸點的選擇方案、科學目標與相關探測技術等內容進行討論。

2011年10月

月球與火星探測科技高層論壇在北京舉行，美國、法國、印度、日本等國的專家分享火星探測成果、技術與選擇方案。

2011年11月

俄羅斯發射的福布斯-土壤火星探測器及其所搭載的中國螢火一號火星探測器在剛升空不久就出現意外。

2016年年初

中國火星探測計劃正式立項實施。

2016年年底

探測器完成全部關鍵技術攻關和詳細設計。

2020年7月

天問一號火星探測器成功發射升空和入軌。

2021年5月

天問一號第一次通過環繞器傳回火星車遙測數據。

難度上開創先例的火星探測技術方案和關鍵技術研究

2016年4月22日，首個“中國航天日”新聞發布會上，國家航天局透露火星探測任務已經獲批立項，計劃于2020年擇機發射的首顆火星探測器將實現“繞、著、巡”一期工程目標。

從以往人類火星探測的歷史看，環繞探測是著陸和巡視的先期工程，環繞探測和著陸巡視任務一次性實施的難度極大，我國首次任務以“繞、著、巡”為目標，將開世界火星探測史上的先例。除了探月工程所掌握的關鍵技術為火星探測任務奠定了基礎外，我國的大推力運載火箭、超1 億km 測控等技術也取得了重大突破。以往深空探測的飛行軌道控制和遠距離測控是我國的薄弱環節，但通過地面測控系統64 m 大口徑天線的建設，我國完善了深空測控網，為未來火星探測器的遠程測量與控制奠定了基礎。總體上看，我國已經具備了自主開展到達距地球約4億km 遠火星探測的前提條件。

歐陽自遠院士曾在2011年總結了火星探測的三大科學任務：一是探測現在火星生命活動的信息，探尋火星過去是否存在過生命，為生命起源和探尋地外生命提供新的科學依據；二是探測與研究火星的演化以及與類地行星進行比較，為太陽系的起源與演化研究提供新的科學論據；三是探討在火星上創造適合人類生存的環境的可能性。首次火星探測任務的工程目標則包括：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建設，推動我國深空探測活動可持續發展。

立項之后，我國組織科研單位開展了緊鑼密鼓的關鍵技術研究，推動深空探測工程實施。天問一號探測器由一架軌道飛行器和一輛火星車構成。自立項以來，中國空間技術研究院在4年多時間里高效完成了火星探測器研制任務。我國也加快建設了大功率天線、火星探測地面站、微弱信號高性能接收系統以及深空測控網，更大推力的長征五號運載火箭更是重要支撐。

2016年7月，火星探測器研制轉入初樣。2016年年底，探測器完成全部關鍵技術攻關和詳細設計。

天問一號任務不僅是我國首次火星探測任務，也標志著我國行星探測計劃的“問天之旅”已經走出了第一步，逐步形成整體概念，深空探測正挺進更深遠的宇宙。

天問一號順利升空履行使命

2019年11月，國家航天局首次公開了我國火星探測任務。根據計劃，我國將在第二年擇機發射火星探測器，開展火星全球性和綜合性探測。同年11月14日，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觀摩中國首次火星探測任務著陸器懸停避障試驗，并參觀相關試驗設施。這是中國火星探測任務及飛行控制團隊首次公開亮相，也是中國向國際航天界表達合作誠意的信號與舉措。

2020年是火星探測任務發射大年，多個火星探測器發射升空，包括阿聯酋的希望號、中國的天問一號和美國的火星2020。2020年3月10日，北京航天飛行控制中心圓滿完成我國首次火星探測任務無線聯試，這也是任務中心與航天器正樣的唯一一次地面聯合演練。4月24日，第五個“中國航天日”，中國行星探測任務被命名為“天問系列”，首次執行中國自主火星探測任務的火星探測器被命名為天問一號。7月23日12 點41 分，載有天問一號火星探測器的長征五號遙四運載火箭在海南文昌發射場成功發射升空，這標志著我國首次自主火星探測任務正式開啟。

2021年4月24日，中國首輛火星車命名為祝融號。此前，美國火星探測計劃借助好奇號火星車將一個配有高精度儀器的巨大實驗室搬到火星，而中國的火星探測計劃更側重“火星軌道器＋火星車”協同工作。在太空中進行漫長旅程后，同年5月15日7 時18 分，科研團隊根據祝融號火星車發回的遙測信號確認，天問一號著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區，我國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。同年5月17日，天問一號第一次通過環繞器傳回火星車遙測數據。

天問一號任務不僅是我國首次火星探測任務，也標志著我國行星探測計劃的“問天之旅”已經走出了第一步，逐步形成整體概念，深空探測正挺進更深遠的宇宙。未來，“天問系列”探測任務還將繼續，我國計劃在2030年開展第二次火星探測任務（采樣返回），也會繼續推動小行星探測以及木星、土星等更遠星球的探測工程。