天问一号，下一站火星
2020-08-28毛新愿
毛新愿
2000多年前的一天，中国古代著名诗人、政治家屈原面对浩瀚星辰发出了《天问》的慨叹。在这首长诗中，他探讨日月星辰和天地万物的变迁，表现出为追求真理不断探索的宏大精神，尤其是那一句“九天之际，安放安属”更成为中华民族穿越古今的宇宙究极之问。而今，屈原的千年之问，将由中国航天人来解答。
在2020年4月24日中国航天日这一天，中国首次将火星探测任务的名称及标识正式对外公布。“天问”被定为中国行星探测计划的总称。这个庞大计划的首个任务，就是天问一号的火星探测任务。
7月23日，海南文昌航天发射场，长征五号遥四运载火箭成功发射，将天问一号送入预定轨道。从这一刻开始，天问一号踏上了前往火星的漫漫征程。
为什么是火星
随着人类于20世纪50年代迈入航天时代，人类数万年来征服太空的梦想终于成为现实，对于宇宙的研究也突飞猛进。尤其是近代天文学家对系外行星的研究，证明地球这种处在宜居带内的行星并不罕见，甚至是广泛存在的。遗憾的是，目前人类的航天能力依然有限，远远不能探测那些基于太空望远镜发现的星球。为了人类的长远未来，迈入更远的宇宙深处将是人类最远大的目标。人类航天发展几十年来，载人任务依然无法突破地月系统进入行星际，下一步突破载人探测行星技术是必然选择。
地球有两个邻居：金星和火星。金星已被证实是一个常年表面温度超过460℃、大气压是地球海平面气压90余倍的拥有恶劣的高温高压环境的星球，空气中弥漫着各类有毒硫化物，几乎没有探测开发的价值。相较而言，另一个邻居火星温度适宜、广泛存在水、保有稀薄空气、引力较小，无论从哪方面来看都非常适合成为人类载人深空探测的下一站。因此，世界载人航天大国，如美国、中国和俄罗斯都把登陆火星作为行星际载人深空探测的首选目标。一些快速崛起的商业航天公司，如太空探索技术公司（SpaceX）和蓝色起源（Blue Origin），都把载人登陆火星作为终极目标。
从飞掠、环绕到着陆、巡视
然而，探测火星的难度极大。它与地球的距离在0.5亿～4亿千米之间变化，即便是光速往返也需要6～40分钟。地球与火星每隔780天才有一次会合机会，只有在会合前几个月的时间窗口才适合开展火星探测，而且这意味着单程便需6～11个月的探测周期。在茫茫深空中，“失之毫厘，谬以千里”。人类火星探测进行了60年，探测成功率还不足一半，难度可想而知。
火星探测任务主要有4种：
1.飞掠任务。这主要是20世纪60年代开展的早期火星探测任务。由于当时探测器自身推进系统能力有限，轨道控制和定位精度不足，很难通过自身力量制动环绕火星，因而仅能在太空中飞行数月后与火星擦肩而过，随后便头也不回地滑入深空。最著名的是1964年11月28日发射的水手4号探测器，它拍下了最早的火星照片。
2.环绕任务。随着技术的进步，探测器靠近火星后已经可以依靠自身动力制动进入环绕火星的大椭圆轨道，甚至后来的近圆形轨道。由于长期环绕火星，探测器能采集海量的数据，可以全方位研究火星的磁场、大气层、重力场、浅层土壤等，极大丰富了人类对火星的认知。此外，环绕/轨道器还能起到至关重要的信号中继作用，服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器。其中著名的是2001年发射的火星奥德赛号探测器，它已经工作了19年，且这个数据还在不断延长！
3.着陆任务。着陆任务的最大优势是能仔细研究火星表面的各种细节，尤其是对水、土壤成分、地表地貌、潜在有机物和深层土壤的研究。需要说明的是，由于重量和能量限制，着陆器自身不可能携带巨大的天线与地球直接联络，它仅能将所有信息发给火星上空的环绕器，让其代为转发。著名的如2018年发射的洞察者号着陆探测器，它所携带的仪器可以深入火星内部数米，研究火星内部的热流和地震等。
4.巡视任务。巡视器也叫火星车，相比不能移动的着陆器而言，它最大的优势在于可以随处移动，其意义不言而喻。火星车是近些年火星探测的核心，复杂程度越来越高，待机工作时间也越来越长。最著名的莫过于价值超过25亿美元的好奇号火星车，由于采用放射性同位素电机（又名核电池）为主要动力，它可以全天候工作，且超长待机。好奇号目前已经在火星上工作了8年時间，还会长期工作下去。
2020年7、8月，人类又迎来一次火星探测机会。7月20日，阿联酋的希望号火星探测器率先出发，在日本种子岛太空中心由日本H-2A运载火箭送入太空；7月23日，中国的天问一号在海南文昌航天发射场用长征五号遥四运载火箭发射成功。7月30日，美国的毅力号火星车和机智号直升机组合体发射成功。
由于探测火星的成本极高，所以应该基于技术积累和成本投入，最大限度地收获工程和科学回报。中国已经通过嫦娥系列月球探测任务积累了深空探测器环绕、着陆和巡视的丰富经验，各项任务取得了圆满成功。在此基础上，天问一号最终选择了集“绕”“着”“巡”三大任务主线为一体，这有一定的必要性，当然也具有挑战性。
“绕”的重要性无可取代，环绕器是全面研究火星最重要的载荷平台，也是服務于着陆器和巡视器的信号中转站，它是整个任务的基础。而“着”和“巡”则是紧跟国际最高水平，是获得国际先进科研成果的基本保证。行星着陆技术也是航天大国必须掌握的核心技术。三大功能任务放在一起，体现了中国航天历来具有的高质、高效的特点。
火星探测有多难
火星探测难度很大，代表了人类航天发展现阶段最高的技术难度。天问一号面对的挑战体现在：
1.需要抓住难得的探测机会。即便是派出人类最快的探测器前往火星，也需要老老实实等待每隔780天才出现一次的机会，一旦错过就需要再等待26个月，因此必须保证任务按时发射。如果延期，除时间成本之外，还有巨额的探测器保管和维护成本。
2.需要强力火箭。探测器要实现环绕地球运动，需要摆脱空气和一部分地球引力的影响；如果想要前往更高轨道甚至前往月球，需要摆脱更多的地球引力的影响；如果前往火星，不仅需要完全摆脱地球引力的影响，还需要摆脱强大的太阳引力的影响。这意味着更强大的火箭是探测火星的先决条件。
3.轨道设计复杂。由于火箭依然局限于化学推进剂，能力有限，所以探测器飞往火星之旅只能选择“霍曼转移”—一种变换探测器轨道的方式，或其略微改进版—“快速合点航线”。但这个过程耗时普遍在6～11个月，远远长于地月之间的3天左右。同时，这些线路会受到太阳系内多个天体的扰动，还有太阳风、空间辐射等的复杂影响。此外，火星与地球并不处在同一平面内。深空探测任务往往“失之毫厘，谬以千里”，轨道设计难度可想而知。
4.探测器必须功能强大。一方面，探测火星的成本极高，如果只是进行简单工程验证并不值得，必须搭载各种科学仪器才能换回相应价值。另一方面，由于距离问题，探测器的深空通信、自主导航制导控制和自我故障检测修复等功能必须独立且强大，这进一步推高了成本。
5.抵达火星很难。探测器到达火星附近后，需要被火星引力俘获。相比于地球，火星只是个小不点，质量仅有地球的10.7%，引力影响范围很小，这要求探测器必须精准切入环绕火星轨道。同时，必须拥有强大的变轨能力，这又大幅增加了燃料需求。
6.需要复杂的地面设施。火星探测任务非常遥远，且与地球通信时间极其宝贵，这要求地球上必须有全天域覆盖的强大深空通信网络。
由此可见，火星探测的难度极大。几十年统计下来，火星探测成功率还不足一半。早期的成功率更是惨不忍睹，苏联/俄罗斯进行了近20次火星探测任务，但没有一次取得完全成功。即便是后来占据领先地位的美国，也是在进入21世纪前后，才获得比较高的成功率。
上述所说的，仅仅是实现环绕火星的难点，要完成降落火星的任务，还需要克服一系列更复杂的问题。最大的挑战在于火星大气。火星仅拥有极其稀薄的大气，大气密度甚至不足地球海平面大气平均密度的1%，这真让科学家又爱又恨。爱在于：火星虽然大气稀薄，但又不像月球一样近乎真空，科学家可以利用大气摩擦力对探测器进行减速。恨在于：大气摩擦会产生高达2000℃的高温；但大气的密度又不足以让着陆器完全减速，到最后还是需要反冲火箭发动机配合以实现悬停、避障、降落。因而，一个火星着陆器既需要隔热罩隔绝热量，也需要配备减速器、降落伞进一步减速，同时还要反冲发动机联合工作，几乎集齐了人类现有的各种降落技术，整体设计难度陡增。
