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新京报|“天问”奔火星 挑战探火史上“最高难度”


新京报|“天问”奔火星 挑战探火史上“最高难度”
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天问一号探测器由着陆巡视器（进入舱和火星车）和环绕器组成 。 中国空间技术研究院供图
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天问一号着陆平台和火星车效果图 ， 火星车重约240千克 ， 约为玉兔二号月球车的两倍 。 截图自国家航天局新闻宣传中心宣传片
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天问一号着陆巡视器在着陆最后阶段打开反推发动机减速 ， 平稳降落 。截图自国家航天局新闻宣传中心宣传片
一步实现“绕落巡”在火星探测史上系首次；中国首次火星探测成熟度高 ， 将开展一系列科学研究
7月23日12时41分 ， 昵称“胖五”的长征五号火箭迎来第四次发射 ， 成功将我国天问一号火星探测器送入预定轨道 ， 迈出我国行星探测第一步 。
在越来越多的国家争相探测深空的时代 ， 中国路线图透露了对深空探测意义的固有认识：并非急于移民外星 ， 而是为了更好地认识地球本身 ， 从而保护人类目前唯一的家园 。
长征五号是中国目前运载能力最大的火箭 ， 也是最年轻的长征火箭 ， 它的每一次发射都是航天界的大事 。 尚在研制阶段时 ， 任务清单上就写满了“明星”项目：嫦娥五号月球采样、空间站组建、载人登月……
2016年下半年至今的4年间 ， 历经跌宕起伏的前三次任务 ， 长征五号“实习”结束 ， 迎来首次应用性发射 ， 正式开启“星辰大海”的征途 。 这次任务的目的地是火星 ， 中国首次自主火星探测任务天问一号正式实施 。
如果以飞行的距离划分中国太空探索史 ， 进入地球轨道是第一步 ， 从地球轨道拓展到月球轨道是第二步 ， 此次挣脱地月空间 ， 到达另一颗行星 ， 则是又一次跨越 。 以此为起点 ， 我们在10年之内 ， 还有望看到中国探测器进入太阳系更多未知的疆域 。
纵观21世纪以来的中国航天 ， 深空探测乃至整个航天活动 ， 都有着积极稳妥的特点：高效而精确地突破一项项关键技术 ， 再实施综合性大工程；在月球充分验证各项着陆探测技术后 ， 再去更远的火星 。
天问征途
从地球到火星飞行最远约4亿公里
我国首次火星探测任务在低调研发数年之后 ， 今年4月24日中国航天日正式获得命名：天问一号 。 “天问”取自屈原长诗《天问》 ， “日月安属 ， 列星安陈” 。
总体来看 ， 天问一号任务与2013年执行的嫦娥三号任务过程相似 ， 只不过将“舞台”从月球搬到了火星 。
长征五号火箭将探测器发射到200公里左右地火转移轨道近地点 ， 探测器需进行多次深空机动和中途修正 ， 飞行约7个月到达火星 。 发射约200天后 ， 探测器精准“刹车” ， 被火星“捕获” ， 进入火星环绕轨道 。 环绕飞行2至3个月后选择进入窗口 ， 探测器分离为两部分 ， 环绕器继续在轨飞行 ， 同时为着陆巡视器和地球提供中继通信服务 ， 着陆巡视器则降落到火星表面 。 其后 ， 火星车与着陆平台解锁分离 ， 通过坡道机构驶上火星表面 。
中国探月工程副总设计师、中国航天科技集团有限公司科技委副主任于登云近日对***采访人员表示 ， 难度首先来自于距离 。 月球离地球38万公里 ， 但火星距离地球最近约5600万公里 ， 最远大约4亿公里 ， 最近距离也是地月距离的150倍 。 距离遥远带来通信延迟和信号衰减 ， 信号传输一个来回最远时需要近46分钟 。
而着陆巡视器下降的全过程必须在7分钟左右完成 ， 这意味着 ， 其间发生任何情况 ， 只能依靠机器自主决策 。 这可谓是天问一号最凶险的旅程 ， 火星环境特殊 ， 有非常稀薄的大气 ， 既不像月球完全没有大气 ， 又不像地球的大气成分 。 所以降落的时候 ， 天问一号下面有发动机反推 ， 上面又要打开降落伞降速 ， 7分钟内从时速两万千米降到零 ， 控制十分复杂 ， 必须由设计师提前写好并注入程序 。
“什么时候‘刹车’进入火星轨道 ， 进入轨道的角度是多少 ， 何时打开降落伞 ， 何时切断降落伞……每个环节都步步惊心 ， 都需要精准计算、毫秒不差 。 ”中国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩此前对***采访人员表示 ， 这可谓是“恐怖7分钟” 。
“那是最激动人心的时刻 。 ”中国航天科技集团五院火星探测器副总设计师贾阳接受采访时说 ， 着陆之后是什么地形？火星车是否会安全行驶到火星表面？会取得什么样的探测数据？火星尘暴的时候 ， 火星车有什么手段躲避？寒冷的天气中 ， 火星车用什么样的方法应对？都值得我们拭目以待 ， 这次任务有很多难题 ， 航天工程师都已经有了解决的办法 。
从地球出发到达火星时 ， 天问一号已经飞行将近4亿公里 。 对这一旅途的难度 ， 有人打了个比方：相当于从巴黎击出一只高尔夫球 ， 准确落入东京一个洞里 。 迄今为止发射的44个火星探测器 ， 只有一半成功“进洞” 。
高起点史无前例
在火星探测史上首次一步实现“绕落巡”
每26个月 ， 迎来一次地火距离最近的时期 ， 大约1个月 ， 这也是火星探测器发射的窗口期 。 随着欧空局与俄罗斯合作的ExoMars火星漫游车推迟到2022年 ， 今年 ， 阿联酋“希望号”探测器、天问一号和美国“毅力号”火星车将先后飞往火星 ， 开启近年一次“探火”高潮 。
同为两国第一次火星探测 ， 希望号与天问一号走了不同的路径 。 希望号是一颗环绕探测器 ， 在火星轨道上探测 ， 天问一号则一步实现“绕落巡” ， 这在火星探测史上也是首次 。
贾阳说 ， 中国没有简单重复其他国家的老路 ， 起点设置很高 ， 体现了我国航天技术发展水平 ， 以及航天工程技术人员的自信 。
近10年前 ， 中国曾研制过一颗火星探测器 ， 名为“萤火一号” 。 这颗探测器体型小 ， 仅115千克 ， 计划环绕火星探测 。 当时 ， 中国没有独立开展火星探测的能力 ， 与俄罗斯“福布斯-土壤”号火星探测器一起 ， 借助其天顶号火箭在2011年发射升空 。 但星箭分离后 ， “福布斯-土壤”号发动机未成功开机 ， 止步于地球附近 ， 最终坠入太平洋 。
那时我国火星探测也计划“绕落回”三步走 ， 不过萤火一号任务终止之后 ， 我国调整方案 ， 变三步为两步 。 近10年中 ， 中国航天工作者一步步做好了各项准备：研制出环绕器与着陆巡视器组成的探测器 ， 建成了位于海滨的文昌发射场 ， 把“奔火”的运载工具——大火箭长征五号锻造成熟 。
中国火星探测任务工程总设计师张荣桥在接受媒体采访时还提到另一点：测控能力 。 “火星最远离地球4亿公里 ， 最大的问题是测控能力能不能够得着？这样的设施建设需要周期 。 在探月二期、三期工程中 ， 我们在不断建设测控站 ， 测控站就是一个天地对话的关口 ， 现在已经能够接收到火星的信号 。 ”
中国探月工程总设计师吴伟仁等人在《中国深空测控网现状与展望》一文中介绍 ， 中国深空测控网由3个地面站组成 ， 包括中国西北部喀什地区35米（指天线口径）深空站、东北部佳木斯地区66米深空站和南美洲阿根廷西部内乌肯省萨帕拉地区35米深空站 ， 对深空航天器测控覆盖率接近90% ， 具备支持各类月球和深空探测任务的多频段遥测、遥控、数据接收和跟踪测量等功能 ， 是目前世界上功能完备全球布局的三大深空测控网之一 。
在天问一号任务中 ， 中国深空测控网的测控通信支持距离将进一步延伸4亿公里远 。 为提高数据接收能力,中国在喀什深空站正在建设3个35米口径新天线,与原有天线组成天线阵系统 ， 使喀什深空站在X频段深空任务数据接收能力达到与佳木斯相当的水平 。
据悉 ， 喀什的天线阵已经完成吊装 ， 计划年底投入使用 。 未来 ， 我国还计划在阿根廷深空站构建类似的天线阵系统,从而实现更强更远的测控通信能力 。
逐梦火星
探寻火星生命是首要科学问题
在太阳系各类星球中 ， 火星是迄今最让人类感兴趣的一颗 。 不仅因为它是离我们最近的行星 ， 而且它与地球有诸多相似之处 ， 相关研究已经找到火星存在水的证据 ， 让人类更好奇那里是否有过生命 ， 它是地球的过去还是未来 。 这让火星成为人类关于地外生存的想象中 ， 最有可能的一个目的地 。
自1960年苏联发射人类首颗火星探测器Mars 1960A起 ， 迄今的火星探测可以分为三个阶段 。 第一个阶段是1960年至1975年 ， 美苏在冷战背景下开展火星竞争 ， 掀起第一轮高潮 ， 一共实施23次任务 ， 其中1976年美国海盗一号、海盗二号两个探测器相继着陆 ， 成为最早的火星登陆者 。 第二阶段从1976年至1990年 ， 随着美苏竞争战略重点转移 ， 火星探测进入低潮期 ， 仅实施2次任务 。 第三阶段是上世纪90年代至今 ， 迎来第二个高峰期 ， 这一时期以发展新技术和获得科学发现为主要驱动力 。
中国科学院院士、地球化学与天体化学家欧阳自远最近在一次演讲中说 ， 对火星生命的探寻是火星探测的第一个科学问题 ， 其次才是火星本身的地质、磁层、大气等问题 。 但所有火星探测都没有发现任何生命活动的迹象 ， 尽管如此 ， 人类从未放弃这一努力 。
他在文章《火星探测的主要科学问题》中表示 ， 从火星独特的地形地貌特征（如河网体系、海洋盆地、极区冰盖的消长等）和接近地球的表面环境来看 ， 仍有理由认为火星过去存在生命活动 。
越来越多的探测结果表明 ， 火星有水或曾经有水体的活动 。 “奥德赛”探测器发现火星大气中有微量水蒸气 ， “火星勘测轨道器”通过雷达探测器发现火星地表下有水冰层 。 2015年 ， NASA宣布在火星表面发现了液态水活动的“强有力”证据 ， 认为火星表面的沟壑很可能是高浓度咸水流经的痕迹 。
科学家还在地球上搜寻火星生命的蛛丝马迹 。 许多国家在地球南极收集到类型众多的火星陨石 ， 发现了大量类似细菌状的“化石” ， 以及碳酸盐瘤体的微结构和类似生物膜的微结构 。 2014年 ， 中国科学家在一块火星陨石中发现了碳颗粒 ， 研究显示是火星生命产生的碳 ， 这是全球首次发表的类似成果 。 半个月后 ， 美国宣布通过“好奇号”发现了同样的结果 。
更雄心勃勃的目标 ， 是为人类移民寻找目的地 。
火星与地球有许多相似之处 。 例如 ， 几乎有相同的昼夜长短和季节变化 。 当然 ， 火星不利于生存的条件也非常明显：火星气温寒冷 ， 平均温度为-40~-60°C；火星表面比地球表面具有较强的宇宙高能粒子辐射 ， 引力只有地球的38% ， 大气压力仅为地球的1% 。 在移居之前 ， 人类还需经过大规模的环境改造 。
中国的跨越
一次“技术和科学”双轮驱动的探测任务
世界主要航天国家行星探测都起步于火星 ， 然后向更遥远的行星及行星际发展 。
进入21世纪 ， 世界主要航天国家和组织都制定了宏伟的火星探测规划 。 印度、阿联酋等新兴航天国家也在推动 ， 印度首个火星探测器已于2013年11月成功发射 ， 2014年9月进入火星轨道 ， 开创亚洲国家历史 。
于登云说 ， 在此之前 ， 作为航天大国的中国在月球以远的深空探测领域尚属空白 ， 不仅面临着与美、欧、俄等传统航天强国和地区差距拉大 ， 而且还面临着被印度等新兴航天国家超越的现实 。
于登云等人在《火星探测发展历程与未来展望》中提出 ， 目前国际上火星探测任务目标 ， 已由发展技术逐步转向服务科学 ， 重点开展小尺度精细结构和大尺度科学探索 ， 更加关注科学探测成果的获取和行星科学研究水平的提升 。 而前一阶段火星探测的主要推动力 ， 是发展技术 ， 追求飞得更远、更接近目标、更长时间探测 。
最典型的是美国 ， 如今每一次火星任务都有偏重的任务目标 。 例如2018年发射的洞察号探测器选择定点在火星表面 ， 把目光从火星表面转入地下 ， 探测地下深处的物理信号 ， 对火星内部开展深入研究 。
天问一号即是一次“技术和科学”双轮驱动的探测任务 。 中国第一次火星探测显示出很高的成熟度 ， 不仅“到得了” ， 还要开展一系列科学研究 。
据国家航天局公开的信息 ， 天问一号承担了5项科学目标：研究火星形貌与地质构造特征、表面土壤特征与水冰分布、表面物质组成、大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构 。 为此 ， 天问一号携带了13台先进科学载荷 ， 包括环绕器上的7台和火星车上的6台 ， 在天上和地下同时开展探测 。
超越火星
中国行星探测目光已投向更远行星
据国家航天局发布的信息 ， “天问系列”将成为中国行星探测的任务名 ， “天问一号”是其中第一次任务 。 这意味着 ， 中国行星探测已经形成整体概念 ， 目光已投向超越火星的更远行星 。 根据目前公布的计划 ， 我国第二次火星探测任务定于2028年左右 ， 将在火星上采样返回 。 2030年前我国计划开展一次小行星探测 ， 之后计划进行木星系及行星际穿越探测 。
早在嫦娥一号任务成功之后 ， 国内专家即开始谋划我国深空探测后续发展 。 2010年8月 ， 8位院士联名向国家建议 ， 开展月球以远深空探测的综合论证 ， 国家国防科工局立即组织专家组开展了发展规划和实施方案论证 。 航天科技集团五院的院士、专家团队参与论证工作 ， 对实施方案进行了三轮迭代和深化 ， 最终于2016年1月正式立项实施火星探测 。
中国探月元老、叶培建院士多年呼吁开展行星探测 ， 他认为中国开展火星、小行星和木星探测以后 ， 才能实现真正意义上的星际探测 。
人类探测器的足迹已遍及太阳系八大行星 ， 中国刚刚迈出第一步 。 未来有必要也对八大行星探测吗？于登云近日对***采访人员表示 ， 掌握第一手资料自然是最好 ， 但还要考虑到国情 ， “我们要制定适合自己的航天发展路径 ， 不一定跟着外国跑 。 ”他表示 ， 未来的深空探测 ， 一方面将解决最关键的能力问题 ， 具备探测能力 ， 但不一定每个行星都去探测 。 另一方面 ， 对有代表性的星球要实施探测 。
不同于“移民说” ， 他认为 ， 进行太空探索的目的是更好地认识地球 ， 保卫人类赖以生存的家园 。 比如说小行星探测 ， 小行星有太阳系演化“活化石”之称 ， 对其研究有助于理解太阳系形成和演化规律 ， 包括地球的形成和演化规律 。 另一方面 ， 通过加深对小行星运行规律的认识 ， 如果有一天地球面临被小行星撞击的威胁 ， 也有助于采取自救措施 。
天问一号之后 ， 下一次深空探测任务是什么？于登云表示目前还没有确定 ， 不过天问一号任务成功以后 ， 相信二号也将会启动 。
【新京报|“天问”奔火星 挑战探火史上“最高难度”】***采访人员 倪伟


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