天问与祝融：中国拥抱火星！

2021-12-01郑永春

科学 2021年4期

太阳系是我们的家园，地球是太阳系中的一颗行星。虽然，从大小看，金星是与地球最接近的行星，但是火星才是太阳系中与地球的环境最相似的行星[1]。在古代，不管是东方还是西方，人们大多把火星当作不吉的象征，因为它的颜色是红色的。在西方神话中，火星被视为战神的象征，代表着战争、血腥和灾难。在公众眼中，火星的角色几经反转，现在已经成为最吸引人类前往探索的星球。

火星为何会逆行

火星冲日是一种常见的天文现象。每当天空中火星和太阳分处地球的两侧，当太阳、地球、火星处于一条直线上时，就会出现所谓的火星冲日现象。在出现火星冲日天象的前后数天，黄昏时，太阳刚一下山，火星就从东方的天空升起；黎明前，火星刚从西方的天空落下，太阳就升起来了。这就好似农夫肩上的扁担，一头翘起，另一头就会落下。深夜的时候，太阳照亮了我们脚下的另一个半球，火星则恰好在我们头顶的正上方，相当于整夜都可以看到火星。只要天气晴好，夜幕降临后，面向东方，你就会看到地平线上升起来一颗亮星，就像一颗红宝石，镶嵌在黑色的天幕中，荧荧如火，熠熠生辉，美艳无比。

火星与地球，就像运动场上在第三跑道与第四跑道奔跑的两位运动员，它们之间的距离有时近，有时远，近的时候只相当于跑道宽度的距离，而远的时候则需要横跨整个运动场。火星冲日的时候，是火星与地球距离最近的时候，也是从地球上观测火星的最佳时期[2]。航天时代以前，每逢火星冲日，全世界的天文学家都会把望远镜对准火星。1610年，伽利略把望远镜第一次对准了火星，但那时的望远镜实在是太简陋了，似乎没有证据说明他当时有什么发现。

很多人在介绍天象时，喜欢用多少年一遇说明它的罕见性。2020年10月14日，是26个月一遇的火星冲日。至于观测火星的时机，其实不限于火星冲日这一天，冲日前后的两三个月，都是从地球上观测火星的好时机。整个10月，火星都是夜空中最亮的那颗星，而且长时间可见。通过普通的天文望远镜，我们就能看到火星的红色表面、不同地区的明暗变化，甚至还能看到白色的极冠。运气好的话，或许还能识别出长达4000多千米的水手大峡谷。

时至今日，民间仍然有一种说法认为，火星冲日和个人运势有关，这是没有任何道理的。火星冲日时，地球和火星这两颗行星在太阳的同一侧，都以逆时针绕着太阳转，这是一种周期性出现的自然现象。就像操场上跑步的两位同学，不管谁快谁慢，多跑几圈，总有机会出现两人并肩跑的情况。

生活中，你可能听说过水逆，也就是水星逆行，其实火星也会出现逆行。如果长期观测火星，就会发现它在天空中的轨迹（相对于恒星组成的背景图案）很是诡异。大多数时候往前走（顺行），有时停住不走了（留）。滞留一段时间后，又开始后退（逆行）。退了一段时间，又开始往前走了。实际上，行星逆行是很常见的天文现象，从地球上看，太阳系的所有行星都会出现逆行，只是有些行星看起来比较明显，有些看起来不太明显，但这只是我们从地球上看事物的直觉，并不符合客观事实。如果站在太阳系上方俯视，你会发现，火星不会逆行，水星也不会逆行，所有行星都不会出现逆行。其他行星和地球一样，都绕着太阳逆时针公转，它们到地球的距离有时远、有时近。

火星冲日、火星逆行、以及水逆、星座、流星雨，等等，这些都是常见的天文现象，与国家和个人的命运没有任何关系。我们在地球上的生活主要受太阳引力和辐射的影响，其他行星的引力、辐射，对我们基本没有影响。所以，就像莎士比亚曾经说过那样：“掌握我们命运的不是星座，而是我们自己。”

火星探测器為什么有发射窗口

2020年7月20日，阿联酋发射了“希望号”；7月23日，中国发射了“天问一号”；7月30日，美国发射了“毅力号”火星车。为什么这些火星探测器都选择在这时候飞向火星呢？这是因为，2020年7月到8月，是火星探测器的发射窗口。

在太阳系中，地球沿着第三条轨道运行，火星沿着第四条轨道运行，就像城市道路中的三环路和四环路。探测器从地球上发射后，将沿着发射时地球所在的位置，与六七个月之后航天器抵达火星时火星所在的位置之间的抛物线，飞向火星。这条抛物线就像三环路和四环路之间的连接线，是从地球去往火星最节省能量的一条路线，它是由德国物理学家霍曼（W. Hohmann）通过计算发现的，被称为霍曼转移轨道。

航天器要顺利进入霍曼转移轨道，就要选择火星位于地球前方44°时从地球发射，这一时机被称为火星探测器的发射窗口。一旦错过发射窗口，就要等地球绕太阳再转2圈多，火星绕太阳一圈多，地球和火星回到原来的相对位置时再发射，这一等就是26个月。

火星探测器在发射窗口发射，最节省燃料，只需要把从探测器的飞行速度提高到每秒11.2千米（也就是摆脱地球引力的“第二宇宙速度”）[3]。你可能在想，能不能随时都可以去火星，这也不是不可以，但要付出的代价就要大得多，如果在最不利的时机去火星，探测器需要经历加速、减速、改变方向等过程，这些过程都要消耗燃料，消耗的燃料如果折算成速度变化量，相当于要把探测器的速度变化提高到每秒100千米，相比在发射窗口去火星提高了9倍，这对航天技术是一个很大的考验，即便能实现，也很不经济。所以，要实现火星探测想去就去，任尔驰骋，还需要几代人的持续努力。

火星探测器的发射窗口，不是火星冲日的时候，即并不是地球和火星两者距离最近的时候，而是在火星冲日之前的2～3个月发射的。

火星，中国来了

在太阳系中，火星与地球的环境最相似，是深空探测的热点和重点。世界各国已经开展了40多次火星探测任务。现在，中国人开始追赶了。2020年7月23日中午12时41分，中国在海南文昌航天发射场发射了“天问一号”火星探测器，正式开启了中国行星探测计划的漫漫征途。笔者有幸在现场目睹了火箭升空的那一刻，在疫情笼罩的阴霾下，这次成功来之不易。

“天问”一词源于2300年前我国浪漫主义诗人屈原写的一首长诗的题目，表达了中国人对天地万物和人类社会等自然现象的好奇，展现了中华民族不畏艰难、追求真理的决心和意志。“揽星九天”是我国首次火星探测任务的标识，也是中国行星探测计划的整体标识，展现了八大行星环绕太阳运行的轨道，意味着中国不仅将探测火星，还将探测太阳系的其他行星及其卫星和小天体。“天问一号”是中国首次火星探测任务的名称，在它之后还会有“天问二号”“三号”“四号”……用于对太阳系的其他天体进行探测。

中国火星探测工程是在探月工程六战六捷的基础上实施的，“天问一号”继承了我国月球探测时使用的一些成熟技术[4]。比如，“天问一号”在最后阶段登陆火星时，采用了像嫦娥三号那样利用火箭反推、四条着陆腿的着陆方式。月球探测与火星探测有明显不同。比如，月球上没有大气，登陆月球靠发动机反推就可以实现减速，但火星就不同了。登陆火星需要穿越大气层，经历黑色七分钟（这是约数，由于着陆方式和计时起点不同，也有专家认为需要约九分钟）。首先，利用大气摩擦减速，就像流星划过夜空；然后，打开降落伞，进一步利用大气阻力减速；最后，发动机短暂工作，通过反推进行减速。多种减速方式综合使用，才能成功登陆火星。探月工程的成功实施，使中国人在开展火星探测时更自信。“天问一号”三步并作一步走，通过一次任务，实现对火星的环绕、着陆、巡视三大目标，步子迈得更大。

在地球上，我们可以通过北斗卫星进行导航，那么，飞向火星的航天器是用什么方式导航的呢？以前，在大海中航行的船只，根据天上的星星确定航向。在茫茫宇宙中飞行的火星探测器，则是根据地球、太阳、恒星的相对位置变化，确定自己所在的位置，实现导航，精确地瞄准火星。登陆火星表面后，火星车在上下坡的时候，通过观察太阳的方位、感应重力的方向，来计算自己的姿态、评估安全性。火星车还可通过观察火星表面的山峰和石块等显著标志，确定行驶路线。

“天问一号”发射之后，从地球所在的“三环”，飞向火星所在的“四环”，成为一颗环绕太阳飞行的人造行星，在追逐火星的道路上飞行。由于深空中没有阻力，巡航期间的飞行不需要消耗燃料就能维持原有速度，实现无动力飞行。在“天问一号”上，安装了推力为3000牛、120牛、25牛的各类发动机，目的是精确控制探测器的飞行姿态和方向，帮助它始终瞄准火星，不偏离航线，最终成功抵达火星。一路上，这些发动机一共要经历6次点火工作。

2020年8月2日，第一次轨道修正，在离地球超过300万千米的深空中，3000牛主发动机开机工作，历时20秒，修正了“天问一号”的飞行轨道，让它精确地按照设计好的轨道飞行。

9月20日，第二次轨道修正。在离地球约1900万千米的深空中，“天问一号”上4台推力为120牛的发动机同时点火工作，持续20秒。由于轨道修正的幅度很小，所以不需要用到主发动机，用小推力发动机即可实现。

10月9日23时，第三次轨道修正，在离地球2940万千米中的深空中，“天问一号”又有新动作。推力为3000牛的主发动机再次点火，持续工作8分钟。这次轨道调整的结果是把探测器所在的轨道，从地球所在的太阳系“三环”路，转移到火星所在的“四环”路上。

2021年春节前夕，“天问一号”经历了关键一刻。2月10日，经过半年多长途飞行，飞越4亿多千米，“天问一号”与火星在太阳系“四环”路上遭遇，3000牛的主发动机进行了一次时间更长的点火，经过刹车减速，被火星引力捕获，成为火星的人造卫星。这次刹车更为重要，直接决定了火星探测任务的成败。

2月15日17时，“天问一号”在远火点实施轨道机动，3000牛发动机点火工作，将环火轨道从倾角10°的大椭圆轨道（环绕赤道），调整为轨道倾角约86°的极轨大椭圆轨道（环绕南北极），近火点高度调整为距离火星表面约280千米。

2月20日20时，“天问一号”实施第二次近火制动，进入周期约为3.5天的停泊调相轨道。

2月24日6时，天问一号实施第三次近火制动，进入近火点高度约280千米，远火点高度约57 000千米，周期为49.2小时（约2个火星日）的停泊轨道。进行了第三次近火点制动（刹车），进入近火点高度约280千米，远火点高度约57 000千米，周期为49.2小时（约2个火星日）的停泊轨道，并在这一轨道停留长达三个月。利用轨道器上的中分辨率相机、高分辨率机等科学仪器，对火星南北极和预定着陆区进行了详细勘查，并通过第一手数据，确认了预选着陆区的环境条件，获取了着陆区的地形、气象条件等信息，为登陆火星做好准备。

4月24日，国家航天局正式公布中国第一辆火星车（即巡视器）的名称——“祝融号”。祝融是中国神话中的火神，传说是三皇五帝时掌管火种的官员。首辆火星车的名称源自中国传统文化，体现了现代科学与古代传统文化的跨时空接触，体现了中国人的科学梦想、探索精神、浪漫情怀和文化自信。“祝融号”火星车高1.85米，重240千克左右。设计寿命为火星上的3个月，相当于约92个地球日。

5月15日，“天问一号”着陆巡视组合体（简称：着巡组合体）在火星北半球的乌托邦平原南部预选着陆区着陆，中国成为世界上第二个实现航天器成功登陆火星的国家。乌托邦平原是火星上最大的盆地，直径达3300千米。着陆点位于东经109.9°，北纬25.1°，海拔约-3800米。按照经纬度来比较，相当于广西的桂林。与桂林山水甲天下的喀斯特地貌不同，这里寒冷干燥，寸草不生。但在三十多亿年前，这里曾經是一片巨大的海洋。而“祝融号”要探测的地方，正好是古海洋与古大陆的交界地带。

5月22日10时40分，“祝融号”火星车驶离着陆平台，正式踏上火星表面。“祝融号”不仅是一辆车，更是一个机器人地质学家，它携带了6种科学仪器，用来探测地形地貌、表面物质成分、地下水冰、磁场和气象状况，目的是探测火星表面的地形地貌、物质成分、地质结构和气象环境等。

火星的照片是怎么传回地球的呢？我们知道，地球上的地面站与探测器之间的通信是通过无线电波实现的，传播速度为光速。月球到地球的平均距离为38万千米，所以，月球探测器与地球进行通信时，几乎感觉不到延时，可以在地球上实时控制探测器的运动。不同的是，地球到火星之间的距离是变化的，最近的时候约为5500万千米，最远的时候，也就是火星与地球分别位于太阳的两侧时，两者间的距离达4亿千米。因此，地面与火星探测器的通信，面临着长达十几分钟的延迟，最长达22分钟，对火星探测的影响很大。也就是说，地球上无法随时控制探测器。

如果要求探测器在特定时间执行命令，地面要提前发出指令。探测器收到指令后，才能在规定的时间执行。“天问一号”抵达火星时，无论探测器出现什么意外情况，地面都要在十几到二十几分钟之后才能知道出问题了。科学家和工程师经过研究之后，形成探測器的应对方案，生成处置命令发给探测器。十几到二十几分钟后，探测器才能收到这个命令。半个多小时到四十多分钟后，地面才能知道探测器执行的指令是否有效。

由于地面站与火星探测器之间的通信延迟太长，在大部分情况下，“天问一号” 和“祝融号”按照既定的程序工作。同时，它还必须具备一定的自主处置能力。遇到简单问题时，进入故障回路，通过预先设定的方案自己解决。遇到复杂问题自己不能解决时，探测器会进入安全模式，把不必要的设备关闭，然后等待地面指令。地面控制中心收到探测器的故障情况，会根据故障预案进行处置；遇到特别复杂的情况，还需要在地面模拟出现的故障，看看处置办法是否有效，研究后再进行处理。

遥望火星移民

进入航天时代以来，探测器可以飞到火星的附近，甚至着陆到火星表面开起车来。现代人对火星的认识，主要得益于火星探测器得到的结果，这其中经过了数次反转。从古代神话中血腥的战神，到日心说建立后成为一颗普通的行星。从望远镜中的模糊影像，到发现火星上疑似的运河。从火星运河被航天器证伪，到证实火星曾经宜居。从火星表面环境严酷，到现在仍然有水，甚至可能还有生命。40多次火星探测任务的科学探测结果发现，火星上曾经有江河湖海，有过浓密的大气层，它的气候曾经温暖湿润，很适合生命的发育[5]。即便现在的环境已经恶化，成为一颗荒漠行星，但它仍然是太阳系中除地球之外最适宜人类居住的行星。实现火星生存，前途漫漫。但每一点突破，都在积累人类走向太空的能力。