“天問一號”啟火星之旅

馬小可

2020年7月23日，“天問一號”火星探測器在中國海南文昌航天發射場由長征五號運載火箭發射升空，并于2021年2月10日成功踏入環火軌道，目前還在軌道上繞行，預計繞行時間將在3個月左右，需找到合適的機會才能成功著陸火星。在完成著陸任務的前夕， “天問一號”還會進行一系列的軌道調整，為下一步的著陸做好準備。

只有一次機會的著陸

“天問一號”由環繞器、著陸器和巡視器組成，總質量達到5噸左右。要想成功完成著陸，面對的挑戰也非常大。火星有著類似地球的四季交替，在火星上的一天幾乎與地球上的一樣長，火星與地球的諸多相似點吸引人類不斷發射探測器去了解火星。人類探測火星起步于20世紀60年代，2020年之前共實施了44次火星探測任務，只有8次成功著陸，成功率僅為18%，因此火星也被譽為“太陽系中的珠穆朗瑪峰”。

由于地球與火星的距離相當遠，從火星傳信息到地球地面控制站有很大的時延，所以無法實現實時控制。在失去地面監控的情況下，“天問一號”只能依靠自身的傳感器和預設程序完成進入、減速、軟著陸這一系列動作，而且這個機會只有一次。除了抓住轉瞬即逝的機會外，“天問一號”還面臨一個很大的難題，那就是進入火星大氣層后的減速問題。“天問一號”必須在短短的7分鐘內將很高的速度降下來，而火星上的大氣密度僅為地球的1/100，要想短時間內完成減速動作極不容易。所以，在降落過程中必須用到大氣減速、氣動減速、降落傘減速與反推發動機減速四種方式，最后依靠著陸腿軟著陸到火星表面。因此，這7分鐘也被稱為“恐怖7分鐘”。

走完這艱難的7分鐘，完成軟著陸后，“天問一號”還需要把火星車釋放到火星表面上，讓它走起來并開展探測，才算真正完成了“繞、落、巡”三步任務。另外，選擇的落地點不夠平坦，或者著陸的姿勢不夠正，火星車便不好開下去，這也有可能成為一道不小的坎兒。

人類情有獨鐘的星球

在人類對太陽系的探索歷史上，火星總是給人無限期待與遐想。其實，人類對火星情有獨鐘已有數千年。自從天文學家把目光轉向夜空中這顆發亮的行星開始，人類就一直在想象火星上是否存在著生命。這個看似簡單的問題，卻在幾千年來一直深深地抓住了科學家和天文迷的好奇心。隨著飛行器、登陸器對火星過去和現在疑似存在的生命過程進行的探測、測試越來越復雜，包括測試火星土壤以尋找水的痕跡以及二氧化碳、甲烷和氧等氣體的釋放（這可能暗示細菌生命），科學家對這個問題依然沒有確定答案。已經有足夠證據表明，幾十億年前的火星環境能支持微生物生存。從地球上看去，火星上的地貌特征哪怕使用最好的望遠鏡也很難分辨。火星上有暗色和明亮區域，以及極地冰蓋，但只有環繞火星的軌道器才能提供火星地貌的清晰圖像。因此，早期天文學家對火星觀測結果進行錯誤解讀或添油加醋就情有可原。對于那時巡天的科學家來說，他們眼中的火星與今天人們對火星的認識大相徑庭。

1877年，意大利天文學家喬凡尼-斯基亞帕雷利成為第一個為火星繪制地圖的人。他畫的火星地圖上顯示了一個運河體系。1910年，美國天文學家帕西瓦爾-洛威爾對火星進行了一系列觀測，并且寫了一本書。在此書中，洛威爾把火星描述成一顆瀕死的行星，那里的文明建造了一個巨大的運河網，把水從火星極地輸送到河岸上的各個植物園。

盡管洛威爾的書引發了公眾的想象力，可當時的科學界卻立即摒棄了他的說法，這是因為他的觀測結果并未被證實。然而，洛威爾的著作激發了一代又一代科幻作家的創作熱情，好萊塢也拍攝了大量火星題材的電影來火上澆油。

在火星上看藍色日落

與一直被云霧籠罩的地球近鄰金星不同，紅色的火星總是吸引人去猜測和探索。火星的另一個名字是“紅色行星”。當火星又亮又靠近地球時，在夜空中，它看上去就像是一顆亮紅色的星。在羅馬神話中，火星的發音“馬爾斯”是指戰爭之神，這讓人聯想到血。甚至就連在飛船上拍攝的照片中，火星也是鐵銹紅色的。這種色彩來自一個事實：火星表面的確呈現鐵銹色，因為火星表面富含氧化鐵。把鐵放在雨中，它就會被鐵銹覆蓋，原因是空氣中的氧和水與金屬中的鐵反應，生成了一層氧化鐵的膜。

火星的氧化鐵一定是形成于很久以前，當時的火星有很多的液態水。這種鐵銹色材料在塵埃云中被輸送到火星全球，最終覆蓋全球。事實上，今天火星上的沙塵暴可席卷全球，塵埃也因此會到全球。但如果近看火星表面，你會發現火星土壤真是色彩紛呈：一些地區看起來是明亮的紅色，另一些看起來卻是灰色甚至黑色。但把這些顏色平均起來，火星就是人們所熟悉的紅色。

如果你向下挖掘，就會發掘到火星表面氧化層下面的巖石和塵土。如果你能站在火星表面望四周，會看到火星天空是什么顏色呢？幸運的是，美國國家航空航天局的“好奇號”火星車搭有一部全色彩相機，它看見了差不多是人眼看見的景象：火星的天空也是紅色的。地球天空的藍色是因為瑞利散射一一藍光被地球大氣層散射，因此藍光看起來似乎來自所有方向。而在火星上，情況正好相反。火星大氣中的塵埃散射紅光，使得天空呈現紅色。但這里還有一個奇異部分，在火星上的落日看起來是藍色的。之所以是藍色，因為火星塵埃吸收紅光并使之偏轉，所以看起來更多藍光從太陽方向流過來。如果能在火星表面親眼看見火星上的落日，那肯定會是一大奇觀。希望未來可以有人一飽這樣的眼福。

2021年2月19日凌晨4點55分，“毅力號”在火星杰澤羅隕石坑內以壯觀的“空中起重機”方式安全著陸。3月4日， “毅力號”完成首次火星行駛，留下專屬印跡。接下來的幾個月，我國的“天問一號”也要登陸火星。

2021年的短短幾個月內，兩個探測器接連抵達火星，這在對同一個天體的探測方面堪稱十分罕見。那么，為什么火星會得到如此禮遇？火星是距離太陽第四近的行星，火星與太陽的平均距離為2.28億千米，火星赤道直徑為6790千米。現在的火星寒冷、多塵埃而且干燥，但以往的火星很可能并非總這樣。大量數據顯示，在過去某個時期，火星表面也像地球一樣液態水洶涌，其形式包括湖泊、河流甚至海洋。火星大氣層中被探測到存在微量甲烷，其來源未知。在地球上，大多數甲烷是由生物制造的，這似乎預示著火星上也可能曾經存在過生物。

至今沒有人去過火星，因此有關火星在46億年前起源的最好信息來自由軌道器和登陸器拍攝的火星圖像、火星隕石，以及與水星、金星、地球和月球的數據對比。現有的火星成因理論是：火星形成于早期太陽系中小天體的凝集或吸積;然而，與地球和金星不同，火星形成過程在開始后的400萬年內就結束了，因此火星沒有超越行星胚胎階段;可能的情況是，鋁-26衰變把火星轉變成了一個巖漿海洋;火星冷卻后，經歷了一段時期的隕星密集轟炸;熾熱的火星地幔上涌，導致部分地殼上翹;一個或多個的火山強烈活動期，以及接踵而至的熔巖流;火星最終冷卻，大氣層變得稀薄。

火星是通過早期太陽系小天體的吸積形成的，這一過程歷時200萬- 400萬年。火星生長并發展出了一個較大的引力場，它吸引了更多天體。這些天體墜向火星，撞擊生熱。一些模型暗示，如此加熱并不足以引起火星上大規模的熔化。一種可能性是，因為火星的形成過程短暫，它可能吞噬了足夠多的鋁-26核素（其半衰期只有71.7萬年），因而從放射性衰變中熔化。這些熔化的材料逐漸分類，形成核、幔和殼。冷卻過程中釋放的氣體，形成火星上的原始大氣層。

但是，隨著胚胎行星在太陽系的混沌早期形成，火星沒能松口氣。它被太陽系的隕星猛烈轟炸，形成遍布火星表面的隕擊坑和多環盆地，例如位于火星南半球、直徑達2800千米的赫拉斯盆地（實際上是一個巨型隕擊坑）。一些地質學家認為，一次巨型碰撞導致了火星北半球的地殼變薄。類似的碰撞也發生在了當時的地球和月球上。在地球上，這些隕擊坑被風和水侵蝕而逐漸消失。但在月球上，這些大碰撞的證據至今可見。

至于火星上的大氣，它可能被太陽風強勁襲擊過。地球的磁場保護我們免遭太陽風蹂躪，但火星磁場在大約40億年前關閉，很可能是因為一系列大質量小行星的撞擊消滅了驅動行星發電機的溫度梯度。不過，上述有關火星起源的理論尚需更多數據來支撐。

（責任編輯：曹偉）

知識鏈接：

恐怖7分鐘

實現探測器在火星表面安全降落遠比從地球飛至火星軌道要困難得多，其降落過程被形容為“恐怖7分鐘”。 般而言，火星探測任務都會采取“繞、著、巡”分開的形式以降低難度。因為進行火星任務的難度太高，登陸火星成功率非常低，在降落剛開始，通過整體和隔熱大底氣動減速約5分鐘，著陸器速度從約5千米/秒減速到數百米/秒，已到極限，隔熱大底的溫度已升到2000℃。

此時，巨大降落傘展開，在不到100秒的時間內把速度進步降低到約100米/秒。如果降落傘失敗，那將是全盤的失敗。接下來會進入動力減速段，也就是利用反推發動機提供的反向推力來減速，最終將速度降低到3.6米/秒。

最后是懸停避障階段，在距離火星表面大約100米的位置實現懸空，對地形進行探測，選擇合適的地點進行降落，完成整個著陸過程，準備展開地面探索。人類探測火星60年，勝率不到半，這是個高風險，卻代表著人類最美麗、最絢爛航天夢想的存在。未來，“天問號”面對的也必將是極大的挑戰。