“天问一号”启火星之旅

马小可

2020年7月23日，“天问一号”火星探测器在中国海南文昌航天发射场由长征五号运载火箭发射升空，并于2021年2月10日成功踏入环火轨道，目前还在轨道上绕行，预计绕行时间将在3个月左右，需找到合适的机会才能成功着陆火星。在完成着陆任务的前夕， “天问一号”还会进行一系列的轨道调整，为下一步的着陆做好准备。

只有一次机会的着陆

“天问一号”由环绕器、着陆器和巡视器组成，总质量达到5吨左右。要想成功完成着陆，面对的挑战也非常大。火星有着类似地球的四季交替，在火星上的一天几乎与地球上的一样长，火星与地球的诸多相似点吸引人类不断发射探测器去了解火星。人类探测火星起步于20世纪60年代，2020年之前共实施了44次火星探测任务，只有8次成功着陆，成功率仅为18%，因此火星也被誉为“太阳系中的珠穆朗玛峰”。

由于地球与火星的距离相当远，从火星传信息到地球地面控制站有很大的时延，所以无法实现实时控制。在失去地面监控的情况下，“天问一号”只能依靠自身的传感器和预设程序完成进入、减速、软着陆这一系列动作，而且这个机会只有一次。除了抓住转瞬即逝的机会外，“天问一号”还面临一个很大的难题，那就是进入火星大气层后的减速问题。“天问一号”必须在短短的7分钟内将很高的速度降下来，而火星上的大气密度仅为地球的1/100，要想短时间内完成减速动作极不容易。所以，在降落过程中必须用到大气减速、气动减速、降落伞减速与反推发动机减速四种方式，最后依靠着陆腿软着陆到火星表面。因此，这7分钟也被称为“恐怖7分钟”。

走完这艰难的7分钟，完成软着陆后，“天问一号”还需要把火星车释放到火星表面上，让它走起来并开展探测，才算真正完成了“绕、落、巡”三步任务。另外，选择的落地点不够平坦，或者着陆的姿势不够正，火星车便不好开下去，这也有可能成为一道不小的坎儿。

人类情有独钟的星球

在人类对太阳系的探索历史上，火星总是给人无限期待与遐想。其实，人类对火星情有独钟已有数千年。自从天文学家把目光转向夜空中这颗发亮的行星开始，人类就一直在想象火星上是否存在着生命。这个看似简单的问题，却在几千年来一直深深地抓住了科学家和天文迷的好奇心。随着飞行器、登陆器对火星过去和现在疑似存在的生命过程进行的探测、测试越来越复杂，包括测试火星土壤以寻找水的痕迹以及二氧化碳、甲烷和氧等气体的释放（这可能暗示细菌生命），科学家对这个问题依然没有确定答案。已经有足够证据表明，几十亿年前的火星环境能支持微生物生存。从地球上看去，火星上的地貌特征哪怕使用最好的望远镜也很难分辨。火星上有暗色和明亮区域，以及极地冰盖，但只有环绕火星的轨道器才能提供火星地貌的清晰图像。因此，早期天文学家对火星观测结果进行错误解读或添油加醋就情有可原。对于那时巡天的科学家来说，他们眼中的火星与今天人们对火星的认识大相径庭。

1877年，意大利天文学家乔凡尼-斯基亚帕雷利成为第一个为火星绘制地图的人。他画的火星地图上显示了一个运河体系。1910年，美国天文学家帕西瓦尔-洛威尔对火星进行了一系列觀测，并且写了一本书。在此书中，洛威尔把火星描述成一颗濒死的行星，那里的文明建造了一个巨大的运河网，把水从火星极地输送到河岸上的各个植物园。

尽管洛威尔的书引发了公众的想象力，可当时的科学界却立即摒弃了他的说法，这是因为他的观测结果并未被证实。然而，洛威尔的著作激发了一代又一代科幻作家的创作热情，好莱坞也拍摄了大量火星题材的电影来火上浇油。

在火星上看蓝色日落

与一直被云雾笼罩的地球近邻金星不同，红色的火星总是吸引人去猜测和探索。火星的另一个名字是“红色行星”。当火星又亮又靠近地球时，在夜空中，它看上去就像是一颗亮红色的星。在罗马神话中，火星的发音“马尔斯”是指战争之神，这让人联想到血。甚至就连在飞船上拍摄的照片中，火星也是铁锈红色的。这种色彩来自一个事实：火星表面的确呈现铁锈色，因为火星表面富含氧化铁。把铁放在雨中，它就会被铁锈覆盖，原因是空气中的氧和水与金属中的铁反应，生成了一层氧化铁的膜。

火星的氧化铁一定是形成于很久以前，当时的火星有很多的液态水。这种铁锈色材料在尘埃云中被输送到火星全球，最终覆盖全球。事实上，今天火星上的沙尘暴可席卷全球，尘埃也因此会到全球。但如果近看火星表面，你会发现火星土壤真是色彩纷呈：一些地区看起来是明亮的红色，另一些看起来却是灰色甚至黑色。但把这些颜色平均起来，火星就是人们所熟悉的红色。

如果你向下挖掘，就会发掘到火星表面氧化层下面的岩石和尘土。如果你能站在火星表面望四周，会看到火星天空是什么颜色呢？幸运的是，美国国家航空航天局的“好奇号”火星车搭有一部全色彩相机，它看见了差不多是人眼看见的景象：火星的天空也是红色的。地球天空的蓝色是因为瑞利散射一一蓝光被地球大气层散射，因此蓝光看起来似乎来自所有方向。而在火星上，情况正好相反。火星大气中的尘埃散射红光，使得天空呈现红色。但这里还有一个奇异部分，在火星上的落日看起来是蓝色的。之所以是蓝色，因为火星尘埃吸收红光并使之偏转，所以看起来更多蓝光从太阳方向流过来。如果能在火星表面亲眼看见火星上的落日，那肯定会是一大奇观。希望未来可以有人一饱这样的眼福。

2021年2月19日凌晨4点55分，“毅力号”在火星杰泽罗陨石坑内以壮观的“空中起重机”方式安全着陆。3月4日， “毅力号”完成首次火星行驶，留下专属印迹。接下来的几个月，我国的“天问一号”也要登陆火星。

2021年的短短几个月内，两个探测器接连抵达火星，这在对同一个天体的探测方面堪称十分罕见。那么，为什么火星会得到如此礼遇？火星是距离太阳第四近的行星，火星与太阳的平均距离为2.28亿千米，火星赤道直径为6790千米。现在的火星寒冷、多尘埃而且干燥，但以往的火星很可能并非总这样。大量数据显示，在过去某个时期，火星表面也像地球一样液态水汹涌，其形式包括湖泊、河流甚至海洋。火星大气层中被探测到存在微量甲烷，其来源未知。在地球上，大多数甲烷是由生物制造的，这似乎预示着火星上也可能曾经存在过生物。

至今没有人去过火星，因此有关火星在46亿年前起源的最好信息来自由轨道器和登陆器拍摄的火星图像、火星陨石，以及与水星、金星、地球和月球的数据对比。现有的火星成因理论是：火星形成于早期太阳系中小天体的凝集或吸积;然而，与地球和金星不同，火星形成过程在开始后的400万年内就结束了，因此火星没有超越行星胚胎阶段;可能的情况是，铝-26衰变把火星转变成了一个岩浆海洋;火星冷却后，经历了一段时期的陨星密集轰炸;炽热的火星地幔上涌，导致部分地壳上翘;一个或多个的火山强烈活动期，以及接踵而至的熔岩流;火星最终冷却，大气层变得稀薄。

火星是通过早期太阳系小天体的吸积形成的，这一过程历时200万- 400万年。火星生长并发展出了一个较大的引力场，它吸引了更多天体。这些天体坠向火星，撞击生热。一些模型暗示，如此加热并不足以引起火星上大规模的熔化。一种可能性是，因为火星的形成过程短暂，它可能吞噬了足够多的铝-26核素（其半衰期只有71.7万年），因而从放射性衰变中熔化。這些熔化的材料逐渐分类，形成核、幔和壳。冷却过程中释放的气体，形成火星上的原始大气层。

但是，随着胚胎行星在太阳系的混沌早期形成，火星没能松口气。它被太阳系的陨星猛烈轰炸，形成遍布火星表面的陨击坑和多环盆地，例如位于火星南半球、直径达2800千米的赫拉斯盆地（实际上是一个巨型陨击坑）。一些地质学家认为，一次巨型碰撞导致了火星北半球的地壳变薄。类似的碰撞也发生在了当时的地球和月球上。在地球上，这些陨击坑被风和水侵蚀而逐渐消失。但在月球上，这些大碰撞的证据至今可见。

至于火星上的大气，它可能被太阳风强劲袭击过。地球的磁场保护我们免遭太阳风蹂躏，但火星磁场在大约40亿年前关闭，很可能是因为一系列大质量小行星的撞击消灭了驱动行星发电机的温度梯度。不过，上述有关火星起源的理论尚需更多数据来支撑。

（责任编辑：曹伟）

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恐怖7分钟

实现探测器在火星表面安全降落远比从地球飞至火星轨道要困难得多，其降落过程被形容为“恐怖7分钟”。 般而言，火星探测任务都会采取“绕、着、巡”分开的形式以降低难度。因为进行火星任务的难度太高，登陆火星成功率非常低，在降落刚开始，通过整体和隔热大底气动减速约5分钟，着陆器速度从约5千米/秒减速到数百米/秒，已到极限，隔热大底的温度已升到2000℃。

此时，巨大降落伞展开，在不到100秒的时间内把速度进步降低到约100米/秒。如果降落伞失败，那将是全盘的失败。接下来会进入动力减速段，也就是利用反推发动机提供的反向推力来减速，最终将速度降低到3.6米/秒。

最后是悬停避障阶段，在距离火星表面大约100米的位置实现悬空，对地形进行探测，选择合适的地点进行降落，完成整个着陆过程，准备展开地面探索。人类探测火星60年，胜率不到半，这是个高风险，却代表着人类最美丽、最绚烂航天梦想的存在。未来，“天问号”面对的也必将是极大的挑战。