“天问一号”启程“探火”

2020-10-09

发明与创新 2020年33期

关键词：天问火星探测器

“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”2000多年前，屈原一首《天问》抒发了古人对宇宙万物的好奇和追问。

2000多年后，我国“天问一号”的升空，则为这份“问卷”标注了当代科学的一种回答。

7月23日12时41分，我国首个火星探测器“天问一号”搭载长征五号运载火箭在海南文昌航天发射场成功发射。升空后，它将经历7个月左右的长途跋涉，于2021年2月左右抵达火星，进而变轨进入停泊轨道，4月择机登陆。

名称源于屈原长诗

国家航天局总工程师葛小春介绍，“天问”的名称源于屈原长诗《天问》，表达了中华民族追求真理的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。

据了解，我国首次火星探测任务名称和图形标识全球征集活动于2016年8月启动，共收到工程名称35 912个，工程图形标识7439个。经专家评审筛选，分别产生工程名称和图形标识前8名，之后又在网络上开展了为期两个多月的公众线上投票。这8个工程候选名称分别为“天问”“凤凰”“追梦”“朱雀”“凤翔”“腾龙”“麒麟”“火星”。经过网络投票，“天问”排名第一，得票31.7万余张。

专家表示，《天问》出自《楚辞》，作品对天地、自然和人世等一切事物现象进行想象与发问，从宇宙之本源，到阴阳之俱化；从天地之构造，到星辰之往亘。以“天问”作为工程名称，体现了中华民族传统文化精髓，易于广大群众接受，便于记忆和传播，也彰显了中国人迈向更远深空的决心和毅力，引导公众特别是青少年树立热爱科学、崇尚科学的理想情怀。

火星探测任务的图形标识同样通过征集和网络投票，同时组织了专业设计团队和知名专家进行优化设计。象征“揽星九天”的标识中，太阳系八大行星依次排开，表达了宇宙的五彩缤纷，呈现了科学发现的丰富多彩。开放的椭圆轨道整体倾斜向上，展示了独特字母“C”的形象，代表了中国行星探测（China），体现着国际合作精神（Cooperation），标志着深空探测进入太空的能力（C3）等多重含义，展现出中国航天开放合作的理念。

专家特别介绍，此次标识设计以行星探测重大工程作为一个整体概念，统一命名并设计标识。根据不同行星探测任务，标识下方的“Mars”(火星)标志以行星英文名称进行替代。

“揽星九天”标识（图/央视网）

火星为何这么“火”

在太阳系的各类星球中，火星无疑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，相关研究已经找到了火星存在水的证据，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起，迄今的火星探测可以分为三个阶段。第一阶段是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，一共实施了23次任务，其中1976年美国“海盗1号”“海盗2号”两个探测器相继着陆，成为最早的火星登陆者。第二阶段是从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20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。

欧阳自远在文章《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。在他看来，关于地外生命存在的探寻，不仅反映了人类的好奇心，更是人类探索太空的动力和社会责任。

越来越多的探测结果表明，火星有水或曾经有水体的活动。美国“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，美国国家航空航天局（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，并认为这可能是火星生命产生的碳。不久后，美国也宣布通过“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，地球上的一天约为23小时56分，火星约为24小时37分，几乎有相同的昼夜长短；地球公转轨道面和赤道面夹角约为23°26′，火星约为25°，有几乎相同的季节变化。这些相似性都表明，火星是适宜人类居住改造的最佳候选行星，何况距离还如此之近。

当然，火星不利于生存的条件也非常明显：火星表面平均温度为-40℃～-60℃；火星表面比地球表面具有更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，人类还需进行大规模的环境改造。

欧阳自远认为，载人登火将是21世纪最宏伟、最复杂的航天工程，是航天大国实施载人航天的最高目标。通过国际合作实施火星登陆、火星改造和火星利用，人类有望在未来几个世纪中，将火星改造成适宜人类生存与发展的绿色星球。

7月23日，“天问一号”成功发射（图/新华视点官方微博）

一次实现“环绕、着陆、巡视探测”

“天问一号”火星探测器由着陆巡视器和环绕器组成（图/中国航天科技集团官方微博）

当天发射圆满成功，长征五号遥四运载火箭成功将探测器送入地火转移轨道，但这只是“天问一号”一次性完成“环绕、着陆、巡视探测”系列任务的第一步。据介绍，火星探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后，到达火星附近，通过“刹车”完成火星捕获，进入环火轨道，并择机开展着陆、巡视等任务，进行火星科学探测。

具体来讲，任务后续计划分为以下几个环节：一是器箭分离后，探测器太阳翼和定向天线相继展开，在测控系统支持下，飞行约7个月抵达火星，其间进行深空机动和中途修正。二是探测器进入环火轨道并经过制动后，通过2至3个月的环绕飞行后首选进入窗口，其间在着陆区上空对着陆区开展探测。三是探测器择机实施降轨机动，着陆巡视器与环绕器分离。环绕器升轨返回到停泊轨道，为着陆过程提供中继通信。四是着陆巡视器进入火星大气，依次完成配平翼展开、降落伞开伞、大底分离、背罩分离、动力减速、悬停、避障及缓速下降、着陆缓冲等动作，在火星乌托邦平原软着陆。五是着陆巡视器安全着陆后，火星车与着陆平台解锁分离。火星车驶离着陆平台，开始巡视探测。环绕器进入中继轨道，为火星车提供中继通信，兼顾科学探测。六是火星车完成探测任务后，环绕器进入使命轨道，开展火星全球遥感探测，兼顾火星车扩展任务中继通信。

我国首次火星探测任务起步虽晚，但起点高、跨越大，从立项伊始就明确提出在国际上首次通过一次发射，完成“环绕、着陆、巡视探测”三大任务。如果这一目标能够在“天问一号”任务中顺利实现，我国将成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。

据专家介绍，首次火星探测任务的工程目标，一是突破火星制动捕获、进入/下降/着陆、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术，实现火星环绕探测和巡视探测，获取火星探测科学数据，实现我国在深空探测领域的技术跨越；二是建立独立自主的深空探测工程体系，包括设计、制造、试验、飞行任务实施、科学研究、工程管理以及人才队伍，推动我国深空探测活动可持续发展。

中国首次火星探测任务的科学目标，主要是实现对火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星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等研究。

为了相关科学目标，火星环绕器携带7台仪器，火星车携带6台仪器，计划通过一系列科学探测建立起对火星全面而基础的认识。

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩表示，这在人类火星探测史上是前所未有的。采用这种“一举三得”的探火方式，起点高、效益高，但挑战大。如果成功，我国深空探测能力和水平将实现跨越式发展，成为世界第三个在火星着陆的国家，第二个在火星巡视的国家。此外，环绕器对火星进行普查，火星车可以在着陆区火星表面详查，这样就可以一次性获得更多成果。

中国航天技术专家黄志澄表示，这次如果能“一气呵成”完成三大火星探测任务，将创造一个人类探火的新纪录，证明中国航天技术已经步入世界先进行列，将是中国航天发展史的一个里程碑。

奔“火”路上困难重重

我国首次火星探测任务要一次性实现“环绕、着陆、巡视探测”三大任务，这在世界航天史上前所未有，难度和挑战也非比寻常。目前，“天问一号”已经在距离地球数百万公里之遥的奔火轨道上极速前进，探测器各项功能及运行情况良好。探火之路，旅途漫漫，在奔向火星的路途上，“天问一号”究竟会面临哪些难点和风险？

临门一脚：高难度“踩刹车”上火星

火星捕获是火星探测任务中技术风险最高、最为重要的环节之一，在火星探测器从地球飞向火星的过程中，能够被火星引力所捕获的机会只有一次。利用火箭助推，探测器获得了摆脱地球引力的能量，使用精心设计的转移轨道，让探测器最终能够顺利抵达火星附近。

然而，由于携带的推进剂有限，环绕器在抵达火星后，必须把握住唯一的机会对火星进行制动捕获。此次火星探测任务捕获时探测器距离火星仅400公里，而此时探测器相对火星的速度高达4到5公里每秒，一不留神就会撞击火星或飞离，捕获的成功与否成为火星探测任务成败的关键。

在这一制动捕获过程中，火星环绕器面临诸多挑战。由于捕获时探测器距离地球1.93亿公里，单向通信时延达到10.7分钟，地面无法对这一制动过程进行实时监控，只能依靠探测器自主执行捕获策略。此外，在制动过程中，环绕器需要在自身出现突发状况时自主完成相应处理，最大限度保证火星捕获成功。

深空通信：实现4亿公里超远距离通信

环火星飞行阶段，由于地球和火星的运行规律，探测器距离地球最远达到4亿公里。为了解决超远距离通信问题，火星环绕器装备了测控数传一体化系统，实现了系统重量轻、通信效率高、通信链路可靠的目标。

为补偿空间衰减，火星环绕器配置了大功率行波管放大器以及大口径可驱动的定向天线，大幅度提高探测器到地球的通信能力。

自主管理：部分时间需自行完成任务

通常情况下，环绕地球运行的卫星都是由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制的。但火星环绕器由于其探测器到地球的距离远，通信延时大，无法完全依靠地面指令对星上出现的突发状况进行实时处理。

此外，环绕器与地面站通信有其空间的特殊性，导致通信中断（日凌）的时间最长可达30天，其间需依靠自身完成长期任务管理，并在出“日凌”后及时调整天线指向，迅速重新与地面建立联系。

据悉，在此次火星探测任务的关键节点，自主管理同样需要发挥巨大作用。在火星探测器进行环绕器与着陆巡视器分离时，环绕器需在短时间内完成3次调姿和2次变轨，对姿态、位置测量及控制精度要求非常高。正是依靠自主在轨管理系统，火星环绕器才能够精准、及时地完成与着陆巡视器的分离。

多样载荷：给火星拍个“中式定妆照”

此次火星环绕器上共搭载7种有效载荷，可对地火转移空间、火星轨道空间、火星表面及其次表层开展科学探测，获取行星际射电频谱数据、火星表面图像、火星地质构造和地形地貌、火星表层结构和地下水冰分布、火星矿物组成与分布、火星空间磁场环境、近火星空间环境和地火转移轨道能量粒子特征及其变化规律。

其中，中分辨率相机可对火星全球开展地形地貌普查，高分辨率相机可对火星重点地区开展局部高分辨率地形地貌详查，将为火星拍下来自中国的“定妆照”。

深空探测下一步怎么走

今年4月24日公布“天问一号”任务名时，我国更长远的行星探测计划也浮出水面。

据国家航天局消息，“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年前我国计划开一次小行星探测，之后还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，国内专家就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。中国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。

迄今为止，人类探测器的足迹已经遍及太阳系八大行星，中国刚刚迈出第一步。未来也有必要对八大行星进行探测吗？中国探月工程副总设计师、中国航天科技集团有限公司科学技术委员会副主任于登云表示，掌握第一手资料自然最好，但还要考虑到国情，“我们要制订适合自己的航天发展路径，尽可能把国家实力展现出来，而不一定跟着外国跑。”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。