鄭永春

從火星沖日說起

火星沖日是一種常見的天文現(xiàn)象，每當(dāng)天空中火星和太陽分處地球的兩側(cè)，太陽、地球、火星在一條直線上時(shí)就會出現(xiàn)?；鹦菦_日前后，黃昏時(shí)，太陽剛一下山，火星就從東方的天空升起。黎明前，火星剛從西方的天空落下，太陽就升起來了。這就好似肩上的扁擔(dān)，一頭翹起，另一頭就會落下。深夜的時(shí)候，太陽在我們腳下的另一個(gè)半球，火星恰好在我們頭頂?shù)恼戏剑喈?dāng)于整夜都可以看到火星。只要天氣晴好，夜幕降臨后，面向東方，你就會看到地平線上升起來一顆亮星，就像一顆紅寶石鑲嵌在黑色的天幕上，熠熠生輝。

火星沖日時(shí)，是從地球上觀測火星的最佳時(shí)期。航天時(shí)代以前，每逢火星沖日，全世界的天文學(xué)家都會把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)火星。1610年，伽利略第一次把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了火星。但他的望遠(yuǎn)鏡實(shí)在太簡陋了，歷史上并沒有留下什么證據(jù)說明他當(dāng)時(shí)有所發(fā)現(xiàn)。畢竟在那時(shí)，從地球上觀測火星還是太遠(yuǎn)了。

很多人在介紹天文現(xiàn)象時(shí)，經(jīng)常會用多少年一遇說明它的罕見性。2020年10月14日，是26個(gè)月一遇的火星沖日。至于觀測火星的時(shí)機(jī)，其實(shí)不限于火星沖日這一天，沖日前后的兩三個(gè)月，都是從地球上觀測火星的好時(shí)機(jī)。整個(gè)10月，火星都是夜空中最亮的那顆星，而且長時(shí)間可見。通過普通的天文望遠(yuǎn)鏡，我們就能看到火星的紅色表面和它的明暗變化，甚至還能看到它白色的極冠。運(yùn)氣好的話，或許還能識別出火星表面長達(dá)4000千米的水手大峽谷。

時(shí)至今日，仍然有一種說法認(rèn)為，火星沖日和個(gè)人運(yùn)勢有某種關(guān)系。這是沒有任何道理的。火星沖日時(shí)，地球和火星這兩顆行星在太陽的同一側(cè)，都朝著太陽的方向，是一種周期性的自然現(xiàn)象。就像操場上跑步的兩位同學(xué)，不管誰快誰慢，只要一直在跑，總有機(jī)會出現(xiàn)兩人并肩跑的情況。

你可能聽說過水逆，也就是水星逆行，其實(shí)火星也會出現(xiàn)逆行。如果長期觀測火星，就會發(fā)現(xiàn)，它在天空中的軌跡（ 相對于恒星組成的背景圖案） 很是詭異。大多數(shù)時(shí)候在往前走（ 順行），有時(shí)停住不走了（ 留），滯留一段時(shí)間后，又開始后退（ 逆行），退了一段時(shí)間，又開始往前走。

行星逆行是很常見的天文現(xiàn)象。從地球上看，太陽系的所有行星都會出現(xiàn)逆行，但這只是我們從地球上看事物的直覺，并不符合客觀事實(shí)。其他行星和地球一樣，都繞著太陽逆時(shí)針公轉(zhuǎn)，它們到地球的距離有時(shí)遠(yuǎn)、有時(shí)近。如果站在太陽系上方俯視，你會發(fā)現(xiàn)，火星不會逆行，水星也不會逆行，所有行星都不會出現(xiàn)逆行。

火星沖日、火星逆行以及水逆、星座、流星雨等等，這些都是常見的天文現(xiàn)象，與個(gè)人的命運(yùn)沒有任何關(guān)系。我們在地球上的生活主要受太陽的引力和輻射的影響，其他行星的引力、輻射，對我們基本沒有影響。就像莎士比亞說過的那樣：“掌握我們命運(yùn)的不是星座，而是我們自己?！?/p>

火星探測器的發(fā)射時(shí)機(jī)

2020年7月20日，阿聯(lián)酋發(fā)射了希望號火星探測器;7月23日，中國發(fā)射了天問一號;7月30日，美國發(fā)射了毅力號火星車。為什么這些火星探測器都選在2020年7月飛向火星呢？這是因?yàn)椋?020年7月—8月，被稱為火星探測器發(fā)射的“窗口期”。

在太陽系中，地球沿著第3條軌道運(yùn)行，火星沿第4條軌道運(yùn)行，就像城市道路中的三環(huán)路和四環(huán)路。探測器從地球上發(fā)射后，將沿著發(fā)射時(shí)地球所在的位置，與半年多之后航天器抵達(dá)火星時(shí)火星所在的位置之間的拋物線，飛向火星。這條拋物線就像三環(huán)路和四環(huán)路之間的連接線，是從地球去往火星最節(jié)省能量的一條路線，由德國物理學(xué)家霍曼通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，被稱為霍曼轉(zhuǎn)移軌道。

航天器要順利進(jìn)入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，就要選擇火星位于地球前方44 時(shí)從地球發(fā)射，這一時(shí)機(jī)被稱為火星探測器的發(fā)射窗口。一旦錯(cuò)過發(fā)射窗口，就要等地球繞太陽再轉(zhuǎn)2圈多，地球和火星回到原來的相對位置時(shí)再發(fā)射，這一等就是26個(gè)月。

火星探測器在窗口期發(fā)射最節(jié)省燃料，只需要把從探測器的飛行速度提高到11.2千米/ 秒（ 即擺脫地球引力的第二宇宙速度）。也許你還希望隨時(shí)都能去火星，這也不是不可以。只不過，如果在最不利的時(shí)機(jī)去火星，探測器需要經(jīng)歷加速、減速、改變方向等，這些動(dòng)作都需要消耗燃料，消耗的燃料如果折算成速度變化量，相當(dāng)于要把探測器的速度提高到100千米/ 秒，相比發(fā)射窗口期去火星的速度提高了9倍，這對人類現(xiàn)有的航天技術(shù)是一個(gè)巨大的考驗(yàn)，即便能實(shí)現(xiàn)，也很不經(jīng)濟(jì)。所以，要實(shí)現(xiàn)火星探測想去就去，任爾馳騁，還需要幾代人的持續(xù)努力。

火星探測器發(fā)射的時(shí)候，不是火星沖日的時(shí)候，即并不是地球和火星兩者距離最近的時(shí)候。因?yàn)榛鹦呛偷厍蚨荚谕白?，如果在兩者距離最近時(shí)發(fā)射，按目前的軌道運(yùn)行，探測器顯然會錯(cuò)過火星。所以，火星探測器是在火星沖日之前的2～3個(gè)月發(fā)射的。

天問一號的火星之旅

在太陽系中，火星與地球的環(huán)境最相似，是人類深空探測的重點(diǎn)。世界各國迄今已經(jīng)開展了40多次火星探測任務(wù)。現(xiàn)在，中國人開始追趕了。

2020年7月23日中午12時(shí)41分，中國在海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射了天問一號火星探測器，正式開啟了中國行星探測計(jì)劃的漫漫征途。

“天問”是2300年前我國浪漫主義詩人屈原寫的一首長詩的題目，體現(xiàn)了中國人對自然和宇宙空間探索的文化傳承，展現(xiàn)了中華民族不畏艱難、追求真理的決心和意志?！皵埿蔷盘臁笔俏覈状位鹦翘綔y任務(wù)的標(biāo)識，也是中國行星探測計(jì)劃的整體標(biāo)識。標(biāo)識展現(xiàn)了八大行星環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道，意味著中國還將探測太陽系的其他行星及其衛(wèi)星和小天體。在中國首次火星探測任務(wù)天問一號之后，未來還會有天問二號、三號、四號……對太陽系的其他天體進(jìn)行探測。

中國火星探測工程是在探月工程六戰(zhàn)六捷的基礎(chǔ)上實(shí)施的，天問一號繼承了我國月球探測時(shí)使用的一些成熟技術(shù)。比如，天問一號在最后階段登陸火星時(shí)，就將采用像嫦娥三號那樣火箭反推懸停以及4條著陸腿的方式。

月球探測和火星探測也有很大不同。比如，月球上沒有大氣，登陸月球靠發(fā)動(dòng)機(jī)反推就可以實(shí)現(xiàn)減速，但火星就不同了。登陸火星需要穿越大氣層，經(jīng)歷黑色7分鐘。首先，利用大氣提供的阻力，摩擦減速，就像流星劃過夜空;然后，打開降落傘，進(jìn)一步利用大氣阻力減速;最后，發(fā)動(dòng)機(jī)短暫工作，通過反推進(jìn)行減速。多種減速方式綜合使用，才能成功實(shí)現(xiàn)登陸火星。由于探月工程的成功實(shí)施，我們在開展火星探測時(shí)更自信。天問一號三步并做一步走，要通過一次任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對火星的環(huán)繞、著陸、巡視三大目標(biāo)，步子跨得更大。

以前，在大海中航行的船只，根據(jù)天上的星星確定航向。在茫茫宇宙中飛行的火星探測器，則是根據(jù)地球、太陽、恒星的相對位置變化，確定出自己所在的位置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，精準(zhǔn)地瞄準(zhǔn)火星。登陸火星表面后，火星車上下坡的時(shí)候，通過觀察太陽的方位，感應(yīng)重力的方向，計(jì)算自己的姿態(tài)，評估安全性?；鹦擒囘€可以通過觀察火星表面的山峰和石塊等顯著標(biāo)志，確定行駛路線。

天問一號發(fā)射之后，從地球所在的三環(huán)，飛向火星所在的四環(huán)，成為一顆環(huán)繞太陽飛行的人造行星，在追逐火星的路上飛行。由于深空中沒有阻力，巡航期間的飛行不需要消耗燃料就能維持原有速度，實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力飛行。在天問一號上，安裝了推力為3000牛、120牛、25牛的各類發(fā)動(dòng)機(jī)，目的是精確控制探測器的飛行姿態(tài)和方向，幫助它始終瞄準(zhǔn)火星，不偏離航線，最終成功抵達(dá)火星。一路上，這些發(fā)動(dòng)機(jī)一共要經(jīng)歷6次點(diǎn)火工作。

2020年8月2日到2020年10月9日，天問一號經(jīng)歷了3次軌道修正，實(shí)現(xiàn)了從地球到火星的軌道轉(zhuǎn)移。2021年2月10日，春節(jié)前夕，天問一號經(jīng)歷了關(guān)鍵一刻。經(jīng)過半年多、4億多千米的長途飛行，天問一號抵達(dá)火星。它與火星在太陽系的四環(huán)路上相遇，3000牛的主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一次長時(shí)間的點(diǎn)火，經(jīng)過剎車減速，天問一號成功被火星引力捕獲。2021年2月24日，天問一號成功實(shí)施第3次近火制動(dòng)，進(jìn)入預(yù)定的火星停泊軌道，開展科學(xué)探測，為登陸火星做準(zhǔn)備。經(jīng)過軌道調(diào)整，我們的天問一號計(jì)劃于2021年5月登陸火星。

地球上的地面站與探測器之間的通信，是通過無線電波實(shí)現(xiàn)的，傳播速度為光速，30萬千米/ 秒。月球到地球的平均距離為38萬千米，所以，月球探測器與地球通信時(shí)幾乎感覺不到延時(shí)，我們可以在地球上實(shí)時(shí)控制探測器的運(yùn)動(dòng)。不同的是，地球與火星之間的距離是變化的，距離最近時(shí)約5500萬千米，最遠(yuǎn)時(shí)能達(dá)到4億千米。就像兩位運(yùn)動(dòng)員在相鄰的賽道上繞著運(yùn)動(dòng)場跑步，兩人之間的距離有時(shí)只相當(dāng)于跑道的寬度，有時(shí)卻相當(dāng)于整個(gè)運(yùn)動(dòng)場的直徑。因此，地面與火星探測器的通信面臨長達(dá)十幾分鐘的延時(shí)。這對火星探測的影響很大，也就是說，地球上無法隨時(shí)控制探測器。

從地球發(fā)出的指令到達(dá)探測器最長需要22分鐘。如果要求探測器在特定時(shí)間執(zhí)行命令，地面要提前發(fā)出指令。探測器才能在規(guī)定時(shí)間執(zhí)行。天問一號抵達(dá)火星時(shí)，無論探測器出現(xiàn)什么意外情況，地面都要在十幾到二十幾分鐘后才能知道。地面對這些意外情況進(jìn)行研究，形成應(yīng)對方案，生成處置命令后發(fā)送給探測器。十幾到二十幾分鐘后，探測器才能收到這個(gè)命令。半個(gè)多小時(shí)到40多分鐘后，地面才能知道探測器執(zhí)行的指令是否有效。

由于地面站與火星探測器之間的通信延遲太長，在大部分情況下，天問一號是按照既定的程序工作的。同時(shí)，它還必須具備一定的自主處置能力。遇到簡單的問題時(shí)，自主進(jìn)入故障分支，通過預(yù)先設(shè)定的方案自己解決。遇到不能自己解決的復(fù)雜問題時(shí)，探測器會進(jìn)入安全模式，關(guān)閉不必要的設(shè)備，等待地面指令。如果遇到特別復(fù)雜的情況，地面工作者還需要在先模擬出現(xiàn)的故障，試驗(yàn)應(yīng)對方案是否有效，研究后再進(jìn)行處理。

遙望火星移民

進(jìn)入航天時(shí)代以來，探測器可以飛到火星附近，甚至著陸火星表面，并在上面駕駛火星車?，F(xiàn)代人對火星的認(rèn)識，絕大部分已經(jīng)與天文望遠(yuǎn)鏡無關(guān)，這主要得益于火星探測器得到的結(jié)果。科學(xué)探測的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，火星上曾經(jīng)有江河湖海，有過濃密的大氣層，它的氣候曾經(jīng)溫暖濕潤，很適合生命的發(fā)育。即便現(xiàn)在的環(huán)境已經(jīng)惡化，成為一顆荒漠行星，但它仍然是太陽系中除地球之外最宜居的行星。

設(shè)想我們?nèi)绻诨鹦巧仙?，需要解決哪些問題呢？

第一是解決水的問題。水是生命之源，火星兩極本身就含有豐富的冰山，地下也有冰層，而冰化為水汽后，可以被人類現(xiàn)有的技術(shù)輕易提取。除此之外，還有一些方法也可以收集到可用的水源。例如，通過加熱土壤收集水，通過大氣冷凝提取其中的水汽，都是可行的方法。不過，這些途徑需要的技術(shù)更復(fù)雜，也更昂貴。

第二是解決食物問題?；鹦堑耐寥琅c地球土壤有相似的成分。雖然火星上的太陽光比地球上更弱，但可以通過光線的收集增強(qiáng)或人造光源，來滿足植物光合作用的需要。通過在土壤中加入有機(jī)質(zhì)和微生物群落，使之更接近地球土壤?，F(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)改造火星土壤，從而實(shí)現(xiàn)種植的目的。

第三是氧氣供給。火星的大氣中約有95% 是二氧化碳，氧氣含量不足以支持人類呼吸。不過，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)給出了很好的解決方案。麻省理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)明了一種制氧機(jī)，利用反向燃料電池的原理，可以將火星大氣中約95%的二氧化碳轉(zhuǎn)化為78% 的氧氣，余下的一氧化碳作為副產(chǎn)品排出制氧機(jī)，還可以作為燃料使用。2020年7月，這臺制氧機(jī)隨美國的毅力號火星車前往火星，2021年2月19日抵達(dá)火星開始測試。從一開始，這臺制氧機(jī)就被設(shè)計(jì)為可以擴(kuò)展到現(xiàn)有規(guī)模的100倍大小，如果試驗(yàn)取得成功，可以制造一個(gè)人一生都用不盡的氧氣。

第四是建造住所。剛登陸火星時(shí)，我們可以住在密封的充氣庇護(hù)所，或是登陸艙中。由于火星大氣層很稀薄，強(qiáng)烈的紫外線會損害人的健康，宇宙射線甚至?xí)淖兾覀兊腄NA。因此，躲進(jìn)地下，建設(shè)地下城市可能是一個(gè)明智的選擇。

第五是解決服裝問題?；鹦巧峡諝庀”?，因此晝夜溫差極大。白天，最熱的地方溫度超過21℃，夜間氣溫下降到-70～-80℃。全球性的沙塵暴時(shí)有發(fā)生，甚至?xí)掷m(xù)數(shù)月。因此，需要制造特殊的火星服，不僅要求足夠堅(jiān)固，能讓人適應(yīng)火星的低氣壓，還要讓我們的身體保持正常的溫度。麻省理工學(xué)院的科學(xué)家研制了一種光滑緊身的火星服，可以滿足身體保暖和火星生存的需要。在現(xiàn)有空間站宇航服的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的兩款火星服也可以滿足這些需求。

水、氧氣、食物、住所、服裝，似乎在火星生存的一切條件已經(jīng)滿足了，移民火星指日可待。不過，真正移民火星遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比這困難得多，也復(fù)雜得多，還要做好更多的準(zhǔn)備。地球到火星的旅途長達(dá)數(shù)月，空間狹小，物資匱乏。要從地球上我們已經(jīng)適應(yīng)的重力環(huán)境，到發(fā)射時(shí)的超重，飛行途中的失重，到進(jìn)入火星大氣層時(shí)再次超重，再到登陸火星后僅有1/3于地球重力值的火星重力，人的生理狀態(tài)會發(fā)生顯著的變化。幾年之后，你應(yīng)該還會回到地球，就需要再經(jīng)受一遍相反的重力體驗(yàn)。這種過山車式的重力變化，不是柔弱的人體可以承受的。登陸之后，面對無盡的荒涼和難以忍受的孤獨(dú)，對人的心理狀態(tài)，也是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。因此，要實(shí)現(xiàn)火星生存，前路仍然漫漫。但每一點(diǎn)突破，都在積累人類走向太空的能力。