段景頤

經(jīng)“祝融號(hào)”火星車（由“天問一號(hào)”搭載）發(fā)回的遙測(cè)信號(hào)確認(rèn)，“天問一號(hào)”火星探測(cè)器的著陸巡視器于2021年5月15日7時(shí)18分，成功著陸于火星烏托邦平原南部。當(dāng)時(shí)，遠(yuǎn)在3.2億千米外的北京航天飛行控制中心的指揮大廳頓時(shí)掌聲雷動(dòng)，大廳中的一名女調(diào)度員激動(dòng)之余仍不忘自己的工作，有條不紊地播報(bào)著：“根據(jù)遙測(cè)判斷，著陸巡視器轉(zhuǎn)入無控模式?！?/p>

“天問一號(hào)”的著陸器成功著陸火星，是中國(guó)航天史上的里程碑事件。中國(guó)航天在行星探測(cè)領(lǐng)域后發(fā)先至，成功掌握探測(cè)器環(huán)繞及安全著陸火星的技術(shù)。迄今，全世界只有中國(guó)與美國(guó)兩國(guó)掌握該項(xiàng)技術(shù);不僅如此，全世界能在一次任務(wù)中完成環(huán)繞火星和探測(cè)器火星著陸這兩步的只有中國(guó)！

“天問一號(hào)”火星探測(cè)器成功發(fā)射

自主發(fā)射

“天問一號(hào)”并非是我國(guó)首次發(fā)射的火星探測(cè)器。2011年，代號(hào)為“螢火一號(hào)”的中國(guó)第一艘火星探測(cè)器由俄羅斯“天頂2SB”火箭搭載升空，但由于變軌失敗，火箭沒能順利離開近地軌道，最終墜毀于太平洋中。

中國(guó)航天人沒有就此氣餒。2020年7月23日，搭載著“天問一號(hào)”火星探測(cè)器的“長(zhǎng)征五號(hào)”火箭，從文昌航天發(fā)射場(chǎng)徐徐升空后成功脫離地球軌道，飛向火星?！疤靻栆惶?hào)”探測(cè)器總重約5噸。由環(huán)繞器和著陸巡視器（簡(jiǎn)稱著陸器）組成，著陸器主要包括進(jìn)入艙和火星車?！袄@、著、巡”是“天問一號(hào)”的三大任務(wù)，即火星環(huán)繞、火星著陸和火面（火星表面）巡視。

如果把太陽系中行星圍繞太陽的運(yùn)行軌道想象成環(huán)形跑道，那么地球就在由內(nèi)向外的第三“跑道”上運(yùn)行，火星則位于更外層的第四“跑道”。火星的公轉(zhuǎn)周期比地球長(zhǎng)，達(dá)1.88地球年。因此，火星和地球的直線距離會(huì)在5500萬～4億手米之間變化，而火星探測(cè)器要走最短路徑到達(dá)火星，就只有抓住每780天才會(huì)出現(xiàn)一次的地火會(huì)合期（持續(xù)約1個(gè)月），此時(shí)發(fā)射探測(cè)器能夠大大減少燃料消耗，并縮短飛行總時(shí)間。這種在兩個(gè)軌道間快速遷移的方法，也被稱為“霍夫曼轉(zhuǎn)移軌道法”。

“剎車”進(jìn)入火星軌道0.3%的偏差也不能放過

“天問一號(hào)”探測(cè)器經(jīng)過296天的飛行，經(jīng)過4次中途修正和1次深空機(jī)動(dòng)修正飛行路徑，于2021年2月10日進(jìn)入環(huán)火星軌道。接下來，“天問一號(hào)”減速，從而被火星捕獲，開始環(huán)繞火星。“剎車”能否成功，直接決定了，“天問一號(hào)”所執(zhí)行任務(wù)的成?。骸皠x車”踩早了，探測(cè)器會(huì)一頭墜向火星并墜毀：“剎車”踩晚了，探測(cè)器會(huì)飛離火星，無法被火星捕獲。

留給“天問一號(hào)”的時(shí)間只有30分鐘，一旦錯(cuò)過，下一次機(jī)會(huì)要等到兩年后才會(huì)出現(xiàn)。最適合“剎車”的時(shí)機(jī)出現(xiàn)后，“天問一號(hào)”的3000牛軌控發(fā)動(dòng)機(jī)快速點(diǎn)火啟動(dòng)，并在額定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作，成功完成了讓探測(cè)器被火星捕獲的任務(wù)。

“天問一號(hào)”火星探測(cè)器成功發(fā)射

3000牛軌控發(fā)動(dòng)機(jī)是“天問一號(hào)”成功“剎車”的重要保障之一，為了保證它的可靠性，中國(guó)航天人在研制它的過程中沒有放過任何偏差。在一次仿真試驗(yàn)中，探測(cè)器的捕獲制動(dòng)精度沒有達(dá)標(biāo)，這引起研制團(tuán)隊(duì)的高度重視。經(jīng)過多番排查，他們找到了原因。原來，在主發(fā)動(dòng)機(jī)推力減弱前，為了便于主發(fā)動(dòng)機(jī)工作，燃料會(huì)集中到貯箱底部，這個(gè)過程名為“沉底”?！皠x車”前的沉底時(shí)間過長(zhǎng)，對(duì)捕獲控制的速度增量產(chǎn)生了約0.3%的影響。發(fā)現(xiàn)問題根源后，研究團(tuán)隊(duì)迅速調(diào)整了方案，顯著提高了“剎車”精度。該團(tuán)隊(duì)在四年間不斷對(duì)方案進(jìn)行的優(yōu)化與完善，最終確保了這次關(guān)鍵“剎車”的精確完成。

不著急著陸

完成被火星捕獲的“天問一號(hào)”并沒有立即著陸，而是開始環(huán)火星飛行，這一飛就是3個(gè)月。為什么“天問一號(hào)”進(jìn)入火星軌道后不馬上著陸？這是因?yàn)椤疤靻栆惶?hào)”是我國(guó)首次抵達(dá)火星的探測(cè)器，我國(guó)航天人對(duì)火星地面情況還不熟悉，貿(mào)然著陸風(fēng)險(xiǎn)巨大?！疤靻栆惶?hào)”環(huán)繞火星飛行，就是為了挑選合適的著陸地點(diǎn)。同時(shí)，火星大氣情況變數(shù)大，故而“天問一號(hào)”在著陸前還要監(jiān)測(cè)火星的大氣情況。

經(jīng)過充分勘測(cè)和討論，“天問一號(hào)”的著陸地點(diǎn)被定在火星的烏托邦平原。該平原的中心為洼地，最低處低于火星基準(zhǔn)高度7千米。地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，烏托邦平原可能是火星古代海洋和陸地的交界地帶，因此，在這里進(jìn)行著陸和勘測(cè)，更可能幫助科學(xué)家揭開火星的地質(zhì)歷史。

著陸：黑色9分鐘

2021年5月15日，“天問一號(hào)”著陸器準(zhǔn)備降落。以當(dāng)時(shí)火星和地球的直線距離計(jì)算，若采用地面飛控團(tuán)隊(duì)發(fā)送信號(hào)、著陸器接收和傳回信號(hào)的控制方式，整個(gè)過程需要40多分鐘。這顯然是不行的！因此，從進(jìn)入火星大氣到著陸火星表面的整個(gè)過程需要全部由著陸器自主完成，位于北京的飛控團(tuán)隊(duì)無法提供幫助。整個(gè)降落過程耗時(shí)9分鐘，如果在此過程中有任何一步?jīng)]有順利完成，都會(huì)影響接下來的一系列步驟，因此這也被稱為“黑色9分鐘”。

環(huán)繞器與著陸器分離

在此之前，探測(cè)器著陸火星的成功率不到50%。1999年，美國(guó)“火星極地登陸者號(hào)”由于設(shè)計(jì)缺陷，在距離火星地面40米的高處失控，最終墜毀。2016年，歐盟和俄羅斯合作的“斯普亞帕雷利號(hào)”著陸器在著陸火星前50秒失聯(lián)，并在降落過程中墜毀。

火星探測(cè)器如何與地球通信

“天問一號(hào)”的一舉一動(dòng)牽動(dòng)著北京航天飛行控制中心所有人的心?！疤靻栆惶?hào)”著陸器需要經(jīng)歷四個(gè)階段的“剎車”才能將速度降至0米/秒。為了盡可能節(jié)約燃料，它會(huì)先采取氣動(dòng)減速和降落傘減速策略。凌晨4時(shí)許，“天問一號(hào)”著陸器與環(huán)繞器分離，著陸器以14倍音速的高速墜入火星大氣層，環(huán)繞器則再次爬升并進(jìn)入環(huán)火星軌道。著陸器周圍的多個(gè)氣動(dòng)噴嘴多次噴射氣體，調(diào)整著陸器的姿態(tài)。隨著配平翼展開，著陸器的速度下降到3倍音速，這是“天問一號(hào)”進(jìn)入火星大氣后的第一次“剎車”。接著，降落傘張開，著陸器的速度下降到2倍音速，完成隔熱使命的隔熱大底脫離，著陸腿立刻展開，測(cè)距、測(cè)速敏感器開始監(jiān)控高度和速度信息。在距離火星地表還有1.1千米處時(shí)，著陸器與降落傘分離，速度降至95米/秒，第二次“剎車”順利完成。

第三次“剎車”的工作被交給7500?？勺兺屏χ靼l(fā)動(dòng)機(jī)。經(jīng)過80秒的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，著陸器的速度降至3.6米/秒。著陸器在距離火星地面100米的高處懸停，并開始掃描火星地表，尋找適合著陸的平坦地面。不久后，著陸器找到了合適的降落地點(diǎn)，主發(fā)動(dòng)機(jī)開始減小推力。著陸器緩緩下降。著陸腿完成了最后一次減速，著陸器穩(wěn)穩(wěn)降落在烏托邦平原。中國(guó)科學(xué)院院士葉培建興奮地說：“這是一次教科書式的著陸，落得非常漂亮?！?p>

準(zhǔn)備離開著陸平臺(tái)的“祝融號(hào)”火星車

“祝融號(hào)”開動(dòng)

經(jīng)過7天的準(zhǔn)備工作，5月22日10時(shí)40分，“祝融號(hào)”火星車駛離著陸平臺(tái)，開始為期90個(gè)火星日的巡視探測(cè)?！白Ｈ谔?hào)”總質(zhì)量為240千克，最高巡航速度為40米/時(shí)，即每秒鐘移動(dòng)1.1厘米。為什么“祝融號(hào)”的移動(dòng)速度如此緩慢？火星地表環(huán)境復(fù)雜，“祝融號(hào)”和地球有最長(zhǎng)40多分鐘的雙向通信時(shí)延，“祝融號(hào)”上還有大量精密的科學(xué)儀器。再加上發(fā)射火星探測(cè)器的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本都很高昂，“祝融號(hào)”的使命是盡可能長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行火星巡視探測(cè)，這些因素都決定了“祝融號(hào)”只能走一步看三步地慢慢移動(dòng)。

“祝融號(hào)”共攜帶了六種科學(xué)儀器：導(dǎo)航與地形相機(jī)、多光譜相機(jī)、火星表面成分探測(cè)儀、火星車磁強(qiáng)計(jì)、次表層雷達(dá)和火星氣象站。“祝融號(hào)”和環(huán)繞器一起，共同收集火星地貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、火星表面土壤特征與水冰分布、火星表面物質(zhì)組成、火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征、火星物理場(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等信息。

“祝融號(hào)”發(fā)回的自拍照

在“祝融號(hào)”著陸并巡視期間，“天問—號(hào)”的環(huán)繞器一直環(huán)繞火星。“祝融號(hào)”每天只有半個(gè)小時(shí)能直接向地球發(fā)送數(shù)據(jù)，而環(huán)繞器每天能夠發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間更長(zhǎng)，因此“祝融號(hào)”收集到的數(shù)據(jù)會(huì)先發(fā)送給環(huán)繞器，再由環(huán)繞器以更快的速度傳回地球。

環(huán)繞器要精準(zhǔn)指向地球，難度相當(dāng)于在2米外瞄準(zhǔn)繡花針孔。更難的是，環(huán)繞器要在不斷運(yùn)動(dòng)的情況下始終瞄準(zhǔn)地球。位于天津武清的70米口徑全可動(dòng)天線是負(fù)責(zé)接收“天問一號(hào)”傳來信號(hào)的地面天線之一，它由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所研制，整個(gè)天線的總占地面積相當(dāng)于10個(gè)籃球場(chǎng)，總重超過2700噸，天線的指向精度高達(dá)1/360°，是亞洲最大的全可動(dòng)天線。

“天問一號(hào)”身上的“黑科技”

火星夜間地表溫度可低至-120℃。而著陸器發(fā)動(dòng)機(jī)的尾焰溫度超過1000℃。為了保證“祝融號(hào)”上的實(shí)驗(yàn)設(shè)備正常工作，“祝融號(hào)”采用了由中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院306所研發(fā)的兩種超低密度氣凝膠，分別應(yīng)對(duì)極低溫和極高溫。

“祝融號(hào)”的能量來自太陽能.但火星和太陽的距離比地球和太陽的距離更遠(yuǎn)，火星表面的光照強(qiáng)度僅為地球的40%左右。為了保證能量供應(yīng)，“祝融號(hào)”配備了四塊碩大的蝴蝶形太陽能帆板，比嫦娥工程月球車的太陽能帆板還大?；鹦潜砻娼?jīng)常發(fā)生塵暴，美國(guó)“機(jī)遇號(hào)”火星車在經(jīng)過6個(gè)月的巡視探測(cè)后，其太陽能帆板的發(fā)電功率因塵土覆蓋下降近一半。中國(guó)航天人正是考慮到這點(diǎn)，才將“祝融號(hào)”的太陽能帆板設(shè)計(jì)得足夠大。

“天問一號(hào)”的質(zhì)量每減輕1克，莫節(jié)約的發(fā)射成本遠(yuǎn)超1克黃金的價(jià)值。由西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的鎂鋰合金是“天問一號(hào)”減重的功臣。鎂鋰合金是最輕的合金材料之一，不但具有可媲美鋼材的強(qiáng)度，密度還僅為鋁合金的1/2。美國(guó)宇航局為航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星和探測(cè)器配置了多種型號(hào)的鎂鋰合金，但這種優(yōu)異的航天材料的制造技術(shù)在很長(zhǎng)一段時(shí)間里都被國(guó)外壟斷。經(jīng)過先后10年的攻關(guān)，我國(guó)獨(dú)立研發(fā)出能夠用于航天器材的新型鎂鋰合金。

氣凝膠不但很輕，而且能有效隔絕極端高溫和低溫

像這樣的“黑科技”在“天問一號(hào)”上還有許多，例如應(yīng)急信標(biāo)、懸架減速自鎖裝置、棺控陣敏感器和軌控發(fā)動(dòng)機(jī)等等。航天產(chǎn)業(yè)是“金字塔尖產(chǎn)業(yè)”，需要運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、探測(cè)器、測(cè)控通信等一系列設(shè)備和技術(shù)?！疤靻栆惶?hào)”是中國(guó)航天科技進(jìn)步的體現(xiàn)，也標(biāo)志著我國(guó)綜合國(guó)力越來越強(qiáng)。

迄今火星探測(cè)器得到的重要發(fā)現(xiàn)

火星軌道上目前有7艘環(huán)繞探測(cè)器，在火星地表則有包括“祝融號(hào)”在內(nèi)的3輛處于工作狀態(tài)的火星車、1臺(tái)固定探測(cè)器、1架無人機(jī)和4臺(tái)已經(jīng)結(jié)束任務(wù)的探測(cè)器。迄今探測(cè)器傳回的信息讓我們對(duì)火星有了更深入的了解。

1.火星兩極有冰冠覆蓋，有季節(jié)性水汽，有地下水涌出地面的痕跡。

2.火星過去可能被大面積的海洋、湖泊和河流覆蓋。

3火星兩極和中緯度地表下存在大量水冰，火星土壤中含有豐富的水分。

4.火星冰蓋下被發(fā)現(xiàn)有一個(gè)直徑20千米的冰下湖，這是人類在火星上首次發(fā)現(xiàn)的大型液態(tài)水體。

5.火星上會(huì)下雪（成分為二氧化碳），但雪還沒觸地就會(huì)被蒸發(fā)殆盡。

6.火星地表的泥巖被檢測(cè)出合有硫、氮、氧、磷和碳——它們都是生命存在所必需的關(guān)鍵元素。

7.因?yàn)榛鹦菦]有由內(nèi)部含鐵流體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磁場(chǎng)，所以高能宇宙射線會(huì)直接抵達(dá)火星表面。如果人類上到火星表面活動(dòng)，這些宇宙射線會(huì)嚴(yán)重危害人類的健康。

火星地下水

許多人肯定會(huì)問，人類為什么要不停地探索太空？其實(shí)，太空探索活動(dòng)需要包括合成材料、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、低溫以及半導(dǎo)體技術(shù)等在內(nèi)的一系列高精尖技術(shù)，實(shí)施太空探索能大大推進(jìn)這些技術(shù)發(fā)展，并最終反哺民用領(lǐng)域。今天的手機(jī)有計(jì)步功能，你每天走了多少步是由手機(jī)中的加速計(jì)模塊統(tǒng)計(jì)的，而加速計(jì)模塊最早是裝配在人造衛(wèi)星上的。并且，人類對(duì)未知世界的好奇心是支持太空探索活動(dòng)的最主要?jiǎng)恿??；鹦鞘俏覀冊(cè)谔栂抵械摹班従印?，地球^最終踏上火星只是時(shí)間問題。

“天問一號(hào)”背后的國(guó)際合作

在承擔(dān)“天問一號(hào)”發(fā)射任務(wù)的“長(zhǎng)征五號(hào)”遙四運(yùn)載火箭的整流罩上，除了鮮艷的五星紅旗外，還印有歐洲航天局、法國(guó)航天局、阿根廷國(guó)家空間活動(dòng)委員會(huì)以及奧地利研究促進(jìn)署的標(biāo)志，這是因?yàn)檫@些機(jī)構(gòu)不同程度地參與了“天問一號(hào)”所執(zhí)行的任務(wù)。

在“天問一號(hào)”發(fā)射升空后，歐空局通過位于法屬圭亞那的地面站跟蹤“天問一號(hào)”，在“天問一號(hào)”進(jìn)入火星軌道的過程中，歐空局位于澳大利亞和西班牙的地面站為其提供精確的導(dǎo)航支持。法國(guó)為“天問一號(hào)”探測(cè)器搭載的激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀提供了校準(zhǔn)和測(cè)試等方面的幫助。奧地利研究促進(jìn)署幫助研發(fā)了“天問一號(hào)”的磁強(qiáng)計(jì)。

“天問一號(hào)”的兩座國(guó)內(nèi)深空測(cè)控站分別位于黑龍江佳木斯和新疆喀什，這種布局充分利用了我國(guó)5200多千米的東西縱深。但即便如此，在地球自轉(zhuǎn)影響下，深空測(cè)控站每天總還是有一段時(shí)間無法測(cè)控“天問一號(hào)”，為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)控，中國(guó)與阿根廷國(guó)家空間活動(dòng)委員會(huì)合作，在阿根廷修建了內(nèi)烏肯深空測(cè)控站，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器的全天連續(xù)深空測(cè)控。

我們的“鄰居”火星

火星作為地球的“鄰居”，在許多方面都和地球十分接近?；鹦堑馁|(zhì)量為地球的1/9，平均溫度-62℃，有非常稀薄的大氣，其中95%為二氧化碳，是最有可能成為人類第二家園的行星。

火星地表布滿氧化鐵礦物，因此呈紅色。由于火星和地球的相對(duì)位置周期性變化，火星在地球的亮度也時(shí)高時(shí)低，火星最亮的時(shí)候比地球夜空中第一亮星——天狼星還亮。因?yàn)檫@種周期性的亮度變化，中國(guó)古人將火星稱為“熒惑”。

“天問一號(hào)”和“祝融號(hào)”名稱的由來

據(jù)悉，我國(guó)未來的行星探測(cè)任務(wù)都將以“天問”命名，“天問一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)的順利實(shí)施為該系列任務(wù)開了好頭?！短靻枴肥浅?guó)詩(shī)人屈原創(chuàng)作的一首長(zhǎng)詩(shī)，在其中屈原向天地起源發(fā)問，因此，我國(guó)深空探測(cè)任務(wù)的命名才選擇了“天問”二字。祝融則是我國(guó)神話中的火神，也是我國(guó)原始社會(huì)末期最著名的部落領(lǐng)袖之一。選擇祝融并非只因?yàn)榛鹦侵杏袀€(gè)火字，更是對(duì)人類邁向星辰大海的美好祝愿，也體現(xiàn)了國(guó)際航天事業(yè)對(duì)國(guó)際合作、融合的促進(jìn)作用。