“祝融”探火第一步，中國航天一大步

王煜

3月26日，國家航天局發(fā)布2幅由我國首次火星探測任務(wù)天問一號探測器拍攝的南、北半球火星側(cè)身影像。

“天問一號”成功“落火”，“黑色七分鐘”落火過程示意圖。

中國印跡，登上火星！北京時間2021年5月15日7時18分，我國首部火星車“祝融號”在火星烏托邦平原著陸，這讓中國成為第二個在火星成功軟著陸的國家。中國航天實現(xiàn)了從地月系到行星際的歷史性跨越，中華民族的問天之旅就此展開新的篇章。

巡視火星，避開沙塵暴

火星上首次有了中國人的印跡，要做到這點其實非常困難。要知道火星素有“探測器墳場”之稱，之前各國發(fā)射的火星探測器有一半左右都登陸失敗。“祝融號”進入火星大氣層到著陸之前的這段時間，要面臨摩擦高溫、復(fù)雜地形、平穩(wěn)制動等多重嚴(yán)酷的考驗。而由于距地球太遠(yuǎn)，通信至少有十幾分鐘的延時，這個過程不可能靠遠(yuǎn)程控制，只能由探測器自主進行，地球上的人們能做的只有等待。

在《新民周刊》此前的報道中，專家都把這段時間稱為“恐怖7分鐘”，而在著陸火星的過程中，“祝融號”實際經(jīng)歷的是“恐怖9分鐘”。為何時間變長了？原來，7分鐘的時間是按探測器進入火星軌道后直接著陸的情況計算的，那時的初速度更大，所需時間更短。天問一號是先“剎車入軌”再擇機分離著陸，已經(jīng)減速，進入火星大氣層時的初速度比較低，自然花的時間就更長。

無論多久多難，“祝融號”都扛住了！

啟程以來近10個月，天問一號對火星探測三大任務(wù)的“繞”“落”都已成功完成，接下來就是“巡”了，也就是“祝融號”離開著陸器的導(dǎo)軌，在火星表面開動起來，進行科學(xué)探測。不過，它并不能一著陸就馬上做到這些，還得先充充電。

“祝融號”依靠太陽能電池帆板產(chǎn)生的電能工作。火星距離太陽更遠(yuǎn)，那里的太陽能密度僅為地球附近的4成左右，“祝融號”攜帶的四片巨大的“蝴蝶形”太陽能電池帆板，能確保充足能量供應(yīng)，所需要的就是一些準(zhǔn)備時間，來保證中國在火星上印出第一道車轍時，足夠穩(wěn)定。

“祝融號”開啟巡視探測之旅時，還要小心火星上不時刮起的沙塵暴。資深航天專家、上海航天技術(shù)研究院研究員陶建中告訴《新民周刊》記者：火星上的空氣雖然比地球稀薄，但風(fēng)速很快;沙塵暴來襲時，會顯著影響“祝融號”的太陽能收集效率甚至全車的壽命。為了應(yīng)對這樣的情況，“祝融號”表面的涂層已經(jīng)賦予了它一定的防沙塵能力，但還無法扛過長時間、全球性的強力沙塵暴。

好在，中國航天人已經(jīng)選好了時機。歷史數(shù)據(jù)顯示：“祝融號”著陸的火星北半球，在當(dāng)?shù)卮合钠陂g沙塵暴最為低發(fā);特別是從春分到夏至這段時間的中間點開始，一直到再往后的幾個月里，人類從未觀測到沙塵暴的發(fā)生。

當(dāng)前，火星北半球的春分在2021年2月7日，夏至在2021年8月25日，春分到夏至的中間時間點，正是5月中下旬，也即“祝融號”著陸的日子。之后的幾個月里，它遇上沙塵暴的幾率是比較小的。

在火星上行駛時，復(fù)雜的地形也是“祝融號”要克服的一大困難。“‘祝融號著陸的火星烏托邦平原整體地形比較平坦，不過零碎的亂石比較多。不要小看這些碎石頭，它們的破壞力也是很強的。”陶建中說。人們從照片上可以看到，目前正在火星上執(zhí)行任務(wù)的美國“好奇號”火星車的車輪，就被石頭弄出了好幾個明顯的破洞，如果繼續(xù)遭到破壞，它的探測有很大的風(fēng)險將被迫提前結(jié)束。同樣來自美國的“勇氣號”火星車在2009年時陷入沙坑，車輪出現(xiàn)故障無法轉(zhuǎn)動，一直到探測任務(wù)結(jié)束，它也沒能走出來。

有鑒于此，“祝融號”雖然叫“火星車”，但并不會如同地球上的汽車一樣在火星上疾速奔馳;它的行進速度只有每秒幾厘米，就是為了穩(wěn)妥，不要在當(dāng)?shù)匕l(fā)生碰撞等“交通事故”。遇到障礙時，“祝融號”的機身可以升降，六個車輪均獨立驅(qū)動，多輪懸空的條件下依然能自由移動。在極端地形中，它還能實現(xiàn)“蠕動”“蟹行”和“踮腳”等復(fù)雜機械操作。

“道路千萬條，安全第一條”，這個原則無論在地球還是火星都適用。

5月15日，航天科研人員在北京航天飛行控制中心監(jiān)測“祝融號”火星車工作情況，研究傳回的火星地面高清圖片。

5月15日，中國首次火星探測任務(wù)工程總設(shè)計師張榮橋介紹著陸巡視器有關(guān)情況。

日程滿滿，能否“加班”？

在火星上邁出第一步后，“祝融號”就要開始執(zhí)行科學(xué)探測任務(wù)。通過攜帶的各種照相機拍照，是“祝融號”最核心的科學(xué)研究目標(biāo)之一。例如，導(dǎo)航地形相機可拍攝火星高清廣角大圖;多光譜相機可以詳細(xì)分析地形、地貌和地質(zhì)的具體情況，它獲取的巖石土壤光譜數(shù)據(jù)能幫助科學(xué)家研究火星表面演化的歷史和未來。

陶建中介紹：“祝融號”上的表面成分探測儀中包含微成像相機，能將砂石圖像放大到微米級;激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀能在數(shù)米外用激光把巖石成分燒蝕成等離子體，利用有“遠(yuǎn)程顯微鏡”之稱的短波紅外光譜顯微成像儀開展分析。

“祝融號”還攜帶了兩個磁強計，負(fù)責(zé)探測火星表面的磁場強度。它的探測結(jié)果既能讓科學(xué)家獲取火星殼層剩磁的信息，也能與天問一號環(huán)繞器攜帶的磁強計探測結(jié)果結(jié)合，幫助科學(xué)家了解太陽風(fēng)與火星高層大氣、電離層的相互作用。它們也是首個火星表面可移動的磁場探測儀器。

同時，氣象探測儀不僅為“祝融號”自身服務(wù);還能通過長期記錄火星的氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，豐富全人類的火星氣象數(shù)據(jù)庫，與已經(jīng)在當(dāng)?shù)氐钠渌綔y器一起，成為“火星氣象觀測網(wǎng)絡(luò)”的一員。

“祝融號”計劃要巡視探測大約90個火星日。既然在火星上走一遭這么不容易，為什么不讓它工作更長時間呢？這就涉及天問一號此次探測的各項任務(wù)分配。

陶建中向《新民周刊》記者介紹：“祝融號”在火星表面完成各項探測后，數(shù)據(jù)需要傳輸回地球;但它本身的能力無法獨立與地球通信，需要借助在它上空運行的天問一號環(huán)繞器作為與地球之間的通信中繼站。由于距離上億公里，兩個星球之間的數(shù)據(jù)傳輸速率是非常有限的，在“祝融號”巡視的這段時間里，天問一號環(huán)繞器的數(shù)據(jù)傳輸信道就專門為之做中介服務(wù)。

在此之后，它就要傳輸自身探測獲取的數(shù)據(jù)了。因為環(huán)繞器本身也是個綜合探測平臺，攜帶了7項儀器。環(huán)繞器飛行的橢圓軌道距離火星最近200多公里、最遠(yuǎn)12000多公里，這些儀器能在多種軌道高度對火星進行整體性、全球性、綜合性的研究。火星大氣的電離層是什么狀態(tài)？周邊太陽風(fēng)等行星際環(huán)境如何？火星表面和地下的水冰在哪里？火星的土壤類型怎么樣、如何分布？表面礦物和物質(zhì)成分情況如何？……這些問題，都有可能通過環(huán)繞器上儀器獲得的數(shù)據(jù)得到解答。

環(huán)繞器計劃在軌對火星全球展開持續(xù)1個火星年（約2個地球年）的遙感探測。從時長占比來看，環(huán)繞器的探測任務(wù)顯然更重一些。

當(dāng)然，在90火星日的任務(wù)完成后，即使休眠一段時間，“祝融號”很可能依然有繼續(xù)探測的能力。中國航天探測器已經(jīng)有“超額服役”的先例：當(dāng)年“嫦娥二號”完成既定的探月任務(wù)后，又在日地拉格朗日L2點執(zhí)行了一個完整周期的飛行探測，并在2012年12月13日與“圖塔蒂斯”小行星“擦肩而過”，最近交會距離不到1公里，首次實現(xiàn)了我國對小行星的飛掠探測。它也因此成為我國第一個行星際探測器，可以算作“天問一號”的前輩。而后，“嫦娥二號”繼續(xù)飛至1億公里以外，是當(dāng)前我國飛得最遠(yuǎn)的航天器。

那么，“祝融號”是不是也能向它的“勞模前輩”學(xué)習(xí)，“加個班”？陶建中說：從理論上來說完全有這個可能，那就取決于到時科學(xué)家們的決策，是不是讓天問一號環(huán)繞器勻出一些通信資源來傳輸這部分額外的數(shù)據(jù)了。

深空奧秘，無盡探索

中國成功在火星上軟著陸并即將開始巡視探測，人們很自然地暢想下一步：人類何時可以像登月一樣登上火星？實際上，讓人類踏上這顆紅色星球，不僅是普通公眾的興趣，更是航天人持久的夢想。

這一輪“三國探火”中比“祝融號”更早登陸火星的美國“毅力號”火星車，已經(jīng)實現(xiàn)了讓直升機首次在地外大氣中飛行;同時首次以火星大氣中的二氧化碳為原料，通過高溫電解的方式生成一氧化碳和氧氣，這就是在為將來創(chuàng)造航天員登火的條件做先行試驗。

人類正在一步步地努力，但短時間內(nèi)還是“理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感”。無人探測器可以踏上去往火星的單向旅程;但人類不行，必須要去得了還要回得來。然而哪怕只是火星探測器，目前科學(xué)家也還在為讓它“取樣返回”而艱苦攻關(guān)。

探測器可以用自身搭載的儀器在火星當(dāng)?shù)赝瓿梢徊糠謾z測分析，并把數(shù)據(jù)傳回;但是更多的分析，例如同位素檢測，還必須將材料帶回地球才能開展，這是取樣返回的意義所在。

對家的眷戀是中國人亙古不變的情結(jié)和力量源泉，當(dāng)我們在太空有了“家”，接下來又會有多少令人激動的精彩，正紛至沓來！

要從火星返回地球，難度增加絕不只是“路程翻倍”這么簡單。從地球出發(fā)時探測器是“主場作戰(zhàn)”，有各種保障;但在遙遠(yuǎn)的火星，一切都得靠它自己了。

例如，火星上可沒有現(xiàn)成的大推力火箭幫助探測器進入太空，這意味著從地球出發(fā)時，探測器就要帶上更多的燃料，自重增加，發(fā)射難度進一步提升。同時，地球上的導(dǎo)航系統(tǒng)對從火星啟航的探測器也鞭長莫及，后者必須以太空中的物體為參照物來自行導(dǎo)航、自主返回。

在天問一號之后，中國探測火星的下一步計劃就是挑戰(zhàn)采樣返回。2020年，嫦娥五號成功取回月壤，為上述目標(biāo)做了堅實的技術(shù)驗證和儲備。預(yù)計在2030年前后，中國將實現(xiàn)對火星的取樣返回，這意味著中國在火星探測領(lǐng)域雖然是“后來者”，但進度迅猛扎實，已進入第一梯隊。

滿足來去的動力、導(dǎo)航條件后，載人太空航行要解決的最大問題是人本身的問題。往返一趟火星要花上十幾個月的時間，路途中對航天員生命機能、心理狀態(tài)的維持，依然存在許多需要攻破的難題。

至于更進一步的“移民火星”，目前更多停留在人們天馬行空的科學(xué)幻想里。“祝融號”登陸火星后，天問一號總設(shè)計師張榮橋在接受采訪時就表示：火星的空氣、溫度等環(huán)境跟地球相差還是很遠(yuǎn)，人類生存最基本的條件難以保證。“如果我們有改造火星的能力，那我們是不是可以花點時間精力把我們的地球打理得更好？”

以最樂觀的情況預(yù)測，不少航天專家的共識是：人類首次登上火星的日子，應(yīng)該還需要大約30年。

火星因為最有可能存在“地外生命”而成為人類行星際探測的首選目標(biāo)，在它之外，木星、土星的一些衛(wèi)星也引起了科學(xué)家的興趣。比如，木衛(wèi)二擁有稀薄的大氣層，表面覆蓋著厚厚的水冰，地下深藏著大量液態(tài)水，有些地下水還會溢出到表面;土衛(wèi)六是土星的最大衛(wèi)星，擁有稠密的大氣，表面還有眾多河流和湖泊。兩者都有存在生命的可能，等待人們?nèi)ヌ剿鳌榱吮Ｗo地球和人類的安全，對小行星的探測也是各國深空探測的熱點。

上述這些，都已納入中國“天問”系列的目標(biāo)中。2030年前后，人們有望看到中國深空探測在火星取樣返回、小行星探測、木星系探測這三個領(lǐng)域同時發(fā)力的盛況。

航天各個領(lǐng)域的進展常常緊密聯(lián)系、互相促進。從時間范圍上把目光拉近一些，就在接下來的一個月內(nèi)，天舟二號貨運飛船、神舟十二號載人飛船將先后升空與天和核心艙對接，中國空間站的建設(shè)將穩(wěn)步推進。對家的眷戀是中國人亙古不變的情結(jié)和力量源泉，當(dāng)我們在太空有了“家”，接下來又會有多少令人激動的精彩，正紛至沓來！