“螢火一號”的使命

沈羨云

準備啟程

近些年來，我國航天探測的喜訊不斷，繼我國實現載人航天和太空行走后，又開始向外星進軍。“嫦娥一號”的成功奔月，為我國月球探測打響了第一炮。現在，一個更偉大的深空探險計劃又將起步了：今年10月6日至16日期間，我國的第一個火星探測器“螢火一號”將奔赴火星，行程3.5億千米左右，歷時10個月，預計2010年8月抵達火星軌道，開始獨立履行火星探測的偉大使命。這是我國火星探測“繞、回、落”“三步走”戰略中的第一步，也是繼載人航天工程、探月工程之后，我國首次開展的地外行星空間環境的探測活動。目前“螢火一號”正在莫斯科與俄羅斯火衛一土壤探測器——“福布斯一格朗特”進行對接試驗，如果一切順利，將在火星離地球最近的時間窗口發射。

說起“螢火一號”名字的由來，還是起源于典故。由于火星呈紅色，熒光像火，亮度常有變化，中國古代將其稱為“熒惑”，有“熒惑火光，離離亂惑”的意思。所以，我國的航天工作者將中國的第一顆火星探測器命名為“螢火一號”。“螢火一號”火星探測項目是與俄羅斯合作開展的。根據中俄合作協議，“螢火一號”探測器將與俄羅斯的火衛一“福布斯一格朗特”著陸探測器共同搭乘俄方的“天頂”號運載火箭上天。到達火星軌道后，“螢火一號”與“福布斯”將分道揚鑣，“福布斯”轉途探測火衛一，并登陸采集火衛一的土壤返回地球；“螢火一號”則進入繞火星的橢圓形軌道，展開太陽帆板，正式開始履行它的火星探測使命。“螢火一號”搭乘俄羅斯運載火箭的原因是火星探測在技術上要求很高，要想讓探測器脫離地球的引力場，其速度必須達到第二宇宙速度(>11.2千米／秒)。同時，運載火箭在飛行過程中要多次關機、點火，這對火箭的要求很高。目前，我國的火箭還不具備此能力，故搭載俄羅斯的火箭，為我國今后的自力更生火星探險先探探路。

肩負的任務

與美國的火星探測器“勇氣號”、“機遇號”(重180千克)，以及計劃將要發射的新型火箭車(重600千克)相比，“螢火一號”算得上是火星探測器家族中的“輕騎兵”、“小個子”，因為“螢火一號”長和寬只有75厘米，高為60厘米，它的體重也只有110千克。但是，如此小巧玲瓏的身體上卻長出了3對大“翅膀”，其展開后可達7.85米。這是因為火星上太陽光照強度低，只有地球的二分之一左右，帆板要足夠大才能給“螢火一號”提供充足的能量。火星探測器進入環繞火星軌道后，探測器將在800千米至8萬千米的火星軌道上運行，它的體內攜帶了等離子探測包、磁通門磁強計、掩星探測接收機、光學成像等4個種類的有效載荷，在火星軌道上將進行為期一年的科學探測活動。

“螢火一號”的主要任務有兩個。第一個是拍照和探測火星附近空間環境，為我國下一步火星探測打基礎。“螢火一號”攜帶的幾件“寶貝”就是為此服務的：光學成像儀將對火星和火衛一進行攝影；等離子探測包可探測火星周圍的等離子態；磁通門磁強計可以了解火星外環境，測量火星上空的磁場強度、太陽輻射強度和高能粒子等等；掩星探測接收機是用“掩星法”來探測火星大氣層和電離層。

第二個目的是企圖破解火星表面水消失之謎。火星探測最主要的目的之一是要了解火星上到底有無生命。水是生命的象征，因此，以前發射的火星探測器都在尋找火星上的水。幸運的是美國的“機遇號”、“勇氣號”、?鳳凰號”在火星上都發現了水的痕跡。但是，當探測器的鏟子挖出白色的物質后，第二天白色痕跡就消失了，其原因可能是水分蒸發了或者它是干冰。目前水的痕跡發現很多，但并沒有直接發現水，所以還不能最后確定火星上是否有水。“螢火一號”一個重要任務是探測、研究火星表面水消失的原因。

闖三關

實現火星探測可不像月球探測那樣容易，“螢火一號”要實現預期的目標，必須過以下三關。

第一關是要進入火星軌道。“螢火一號”的飛行過程與其他火星飛行器相同，不過這次是“一箭雙星”。“天項”號火箭升空后，先在距地面200千米的遠軌道飛行4小時，然后飛到距地面1萬千米的過渡橢圓軌道，進行26小時的無動力飛行。之后，火箭主發動機再次啟動，“螢火一號”徹底告別地球，進入從地球到火星的雙曲線軌道，與“福布斯”同甘共苦地共同飛行11個月。到達火星軌道后，聯合探測器將共同繞火星飛行幾天。在聯合飛行的過程中，兩顆衛星通過電纜連接在一起，“螢火一號”的能量由“福布斯”供給。其間，俄羅斯的探測器會找一個相對合適的位置把“螢火一號”放下，使其圍繞火星飛行，“福布斯”則轉途去探測“火衛1”。“螢火一號”能否順利切入到火星軌道，它自身不起任何作用，主要由俄羅斯火箭決定。因此，此關是由俄羅斯來闖。

第二關是火星探測器到達火星軌道后的控制問題。當“天頂”號火箭將“螢火一號”放下之后，探測器的所有活動由我國自己來控制。這時，探測器距離地球有1億多千米，在這么遠的一個范圍內，衛星要想準確進入軌道，及在軌道上飛行和對火星探測，需要有很好的測控系統。由于距離太遙遠，地面測控中心收到的信號非常微弱。如果接收不到這些微弱的信號，地面就無法判斷探測器是否在火星軌道上，也無法對探測器的飛行進行控制。

現在，我國已經解決這個問題了，我國科技人員完全有能力捕捉到來自“螢火一號”的信號。為了接收到“螢火一號”的微弱信號，位于上海、北京、昆明和烏魯木齊的4臺射電望遠鏡聯合組成中國甚長基線干涉儀(VLBI)網，這種用于深空探測器的測量技術從理論上來說受探測器到地球距離的影響比較小，利用長達幾千千米的基線，可以極大地提高對測量目標的空間分辨率。這也是世界上首次使用甚長基線干涉儀對深空探測器進行軌道測量。

第三關是要保證“螢火一號”在探測期間不被“凍死”。由于“螢火一號”是搭乘俄羅斯的火箭到火星，我國的航天工作者無法為“螢火一號”選擇更適合的飛行軌道，只能借助火星的赤道軌道進行探測。這樣不可避免地在1年服役期內經歷7次“長火影”的生死考驗。也就是當火星運行至探測器和太陽之間時，“螢火一號”便處于火星的陰影中，那里的溫度可下降到零下200℃以下，而“長火影”最長可以持續8.8個小時。在此期間，以太陽能為主要能源的“螢火一號”將無法接收到陽光。為了保存能量，就必須使部分部件進入休眠狀態，待火星飛出“長火影”后，再將這些部件加電喚醒，重新啟動工作。由于休眠期間“螢火一號”的周圍環境溫度可達零下200℃左右，因此有些部件可能會被“凍死”，不能正常工作。因此，如何保證這段時間“螢火一號”不被“凍死”是最關鍵的問題。

火星探測器被“凍死”是有先例的。去年11月，在火星上探測達5個月之久的美國“鳳凰”號火星車就被“凍死”在火星上。因此，“防凍?技術成為研制火星探測器的關鍵。我國的科技人員經過艱苦技術攻關；終于掌握了“螢火一號”在超低溫環境下的防凍技術，并在今年2月將“螢火一號”放到伸手不見五指、溫度為260℃的實驗環境中休眠8.8小時。結果，休眠后“螢火一號”上的16臺單機均被成功喚醒，并且可以正常工作。

“螢火一號”的發射標志著繼美國、俄羅斯、日本、歐洲太空局后，我國也躋身于“火星俱樂部”，這對火星的探測和研究、特別是對火星生命痕跡的研究，對人類的未來發展將產生重大影響。這次實戰對于今后我國自己開展的深空探測無疑是一場重要的“演練”，也將為中國建立自己的深空探測網積累寶貴的經驗。

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到目前為止，人類共發射了31次火星探測器，其中14次發射的火星探測器連火星的面都沒見，就在發射時失敗或被地球和火星之間漫無邊際的黑暗吞噬了。其他的17次中，真正到達火星進行正常工作的探測器只有6次。這6次都是美國發射的，它們是1975年登上火星的“海盜1號”、“海盜2號”，t997年登上火星的“火星探路者”號、2004年登陸的“勇氣”號和“機遇”號及2008年登陸的“鳳凰”號火星探測器。