◆ 中國(guó)在火星探測(cè)領(lǐng)域是一個(gè)后來(lái)者，但起點(diǎn)卻相當(dāng)高
◆ “天問(wèn)一號(hào)”將一次執(zhí)行“繞落巡”三項(xiàng)任務(wù)。而其他國(guó)家的第一次火星任務(wù)，多只有環(huán)繞，或者連繞帶落，或者連環(huán)繞都沒(méi)有，只是飛掠，從來(lái)沒(méi)有一上來(lái)就做全套的
◆ “如果說(shuō)第一次熱潮的主題是探測(cè)競(jìng)賽，比的是誰(shuí)先跑得最快，那么第二次熱潮的主題應(yīng)是科學(xué)競(jìng)賽，比的是誰(shuí)先看得最深。”
◆ 從科學(xué)上講，“天問(wèn)一號(hào)”是對(duì)火星形態(tài)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、空間環(huán)境、土壤和水冰分布等進(jìn)行研究的最全面的任務(wù)
2020年7月23日12時(shí)41分，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭托舉著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器，在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空。
“天問(wèn)一號(hào)”將承載我國(guó)第一個(gè)火星探測(cè)任務(wù)，著陸在火星表面完成巡視探測(cè)，獲取火星科學(xué)數(shù)據(jù)，一次性實(shí)現(xiàn)對(duì)火星“環(huán)繞、著陸、巡視”三大目標(biāo)。
火星探測(cè)器發(fā)射成功只是“萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步”，“天問(wèn)一號(hào)”還要進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，歷經(jīng)約7個(gè)月飛行進(jìn)入火星軌道范圍。之后，按照預(yù)訂計(jì)劃，“天問(wèn)一號(hào)”將被火星引力俘獲，在地面測(cè)控系統(tǒng)的支持下進(jìn)入環(huán)火橢圓軌道，運(yùn)行到選定的著陸窗口。
第二步完成后，“天問(wèn)一號(hào)”將減速落入火星大氣層，進(jìn)入所謂的“死亡7分鐘”時(shí)間。由于火星距離地球太遠(yuǎn)，信號(hào)傳輸一個(gè)來(lái)回就需要十幾分鐘時(shí)間，而整個(gè)著陸時(shí)間僅僅7分鐘，這意味著著陸過(guò)程不能由人工進(jìn)行干預(yù)，而是由“天問(wèn)一號(hào)”上自帶的著陸程序完成。
成功著陸后，火星車將從著陸平臺(tái)上走到火星表面，開(kāi)展探測(cè)作業(yè)，為期大約90多天。
為什么要去火星
為什么要去探測(cè)火星?答案可能有點(diǎn)讓人意外：因?yàn)榛鹦潜冉鹦菞l件優(yōu)越。
太陽(yáng)系有八大行星，從內(nèi)到外分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。也就是說(shuō)，金星、地球、火星排在第2、3、4位。
如果要在八大行星尋找生命，單憑位置，就可以判斷個(gè)八九不離十：水星離太陽(yáng)太近，一切都被烤焦了;木星以及更外圈的離太陽(yáng)太遠(yuǎn)，一切都被凍僵了。最有可能的，就是離太陽(yáng)距離適中的金星、地球、火星，這三個(gè)處于太陽(yáng)系的“宜居帶”上。
地球位于宜居帶的中間，當(dāng)然是各方面條件最優(yōu)的。金星和火星相比如何呢?
看一下基本指標(biāo)：金星的質(zhì)量是地球的82%，體積是地球的87%，重力是地球的90%，各方面跟地球十分接近。而火星跟地球的差別很大，其質(zhì)量是地球的11%，體積是地球的15%，重力是地球的38%。
僅從這些指標(biāo)看，金星似乎更加適合。因此，人類在上世紀(jì)50年代掌握了航天技術(shù)后，首先就將金星作為了探測(cè)目標(biāo)。人類第一個(gè)接近其他行星的探測(cè)器，是1962年美國(guó)的水手2號(hào)，它的目標(biāo)就是金星。
然而，人類探測(cè)金星的熱情，很快就消退了。歷史上總共有10個(gè)探測(cè)器在金星著陸，都來(lái)自蘇聯(lián)。但其中工作時(shí)間最長(zhǎng)的只有127分鐘(金星13號(hào))，最短的只有23分鐘(金星7號(hào))。為什么這么短命呢?因?yàn)榻鹦堑纳鏃l件實(shí)在是太惡劣了。
金星有一個(gè)極其濃密的大氣，它的壓強(qiáng)高達(dá)地球的92倍，相當(dāng)于一個(gè)人背著一輛50噸重的坦克。更糟糕的是，這么濃密的大氣中絕大部分是二氧化碳，超過(guò)96%。這導(dǎo)致了非常強(qiáng)的溫室效應(yīng)，金星表面的平均溫度超過(guò)460攝氏度，比離太陽(yáng)最近的水星的向陽(yáng)面還熱。
作為對(duì)比，火星大氣稀薄，密度不到地球的1%。雖然這聽(tīng)上去也很糟糕，但跟金星對(duì)比，就會(huì)明白什么叫做“如釋重負(fù)”。畢竟，氣壓低可以穿航天服，而氣壓太高就只有被壓死了?；鹦潜砻娴钠骄鶞囟仁?55攝氏度，而且波動(dòng)范圍很大，可以上至30攝氏度，下至-100攝氏度以下。對(duì)比金星的460攝氏度，也會(huì)感覺(jué)好多了。
火星最有吸引力的一點(diǎn)，是上面有水。
人們最初用望遠(yuǎn)鏡觀察火星的時(shí)候，看到很多紋路。不少人把它們理解為河道，甚至是火星人開(kāi)掘的運(yùn)河。雖然截至目前我們沒(méi)有在火星上發(fā)現(xiàn)任何生命。不過(guò)，火星歷史上應(yīng)該有過(guò)活躍的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)與河流，但由于太陽(yáng)風(fēng)的吹拂以及小行星的撞擊等原因，后來(lái)逐漸都消失了。
然而，火星現(xiàn)在還有大量的固態(tài)水，也就是冰，這是一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)。此外，火星上還有大量的固態(tài)二氧化碳，也就是干冰。為了跟干冰區(qū)別，我們往往把固態(tài)水稱為水冰。
在火星的南北極，就有巨大的水冰與干冰混雜的冰蓋，水冰主要集中在底部。除此之外，在火星的地下很可能還有液態(tài)的鹵水，即溶解了大量鹽分的水，甚至可能有巨大的液態(tài)鹵水湖。這讓火星上存在生命的希望大增。
在地球的各種極端環(huán)境下，如火山口、深海、熱泉、鹽湖等等，都有不屈不撓的微生物生存著。它們的能量來(lái)源可以不是光合作用，而是各種因地制宜的辦法，如硫酸亞鐵氧化還原反應(yīng)放出的化學(xué)能。對(duì)于這些“小強(qiáng)”來(lái)說(shuō)，火星的環(huán)境遠(yuǎn)不算最惡劣的。因此，在火星上發(fā)現(xiàn)生命是相當(dāng)有可能的。
未來(lái)一段時(shí)間里，掘地三尺尋找生命，就是火星探測(cè)的一個(gè)重點(diǎn)目標(biāo)。如果真的找到了，那么這將是人類第一次發(fā)現(xiàn)地外生命，帶來(lái)的沖擊是巨大的。
如何去火星
從地球怎么才能到火星呢?
首先來(lái)看距離。地球和火星都在圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，地球跑第三道，火星跑第四道。兩個(gè)軌道都是接近于圓的橢圓。地球軌道跟圓相當(dāng)接近，半徑約為1.5億公里?；鹦擒壍郎晕⒈庖稽c(diǎn)，近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)分別約為2.07和2.49億公里。
由此可見(jiàn)，地火距離最近是當(dāng)太陽(yáng)、地球、火星三者排成一線的時(shí)候，這叫做“火星沖日”，距離最小值在0.6億公里左右。地火距離最遠(yuǎn)是當(dāng)?shù)厍蚝突鹦欠志犹?yáng)兩邊排成一線的時(shí)候，最大值在4億公里左右。
火星沖日是一個(gè)周期性的現(xiàn)象，大約每780天發(fā)生一次。為什么呢?從地球和火星的公轉(zhuǎn)周期就能算出這個(gè)數(shù)值。
地球的一年大約是365天，而火星的一年大約是687天。經(jīng)過(guò)780天后，地球走過(guò)了780/365=2.14圈，火星走過(guò)了780/687=1.14圈。地球比火星剛好多走了一圈。所以如果出發(fā)時(shí)日地火連成一線，那么到這里它們又會(huì)連成一線。
由此決定了，每過(guò)780天即大約26個(gè)月，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)火星探測(cè)的窗口期。在2020年的窗口期中，終于出現(xiàn)了中國(guó)的火星探測(cè)項(xiàng)目：天問(wèn)一號(hào)。
下一個(gè)問(wèn)題是：應(yīng)該怎么去?直接飛向火星嗎?
要受到引力的作用，不可能走直線。在太陽(yáng)系里，最大的引力源就是太陽(yáng)。除了在每個(gè)行星附近之外，在絕大部分空間起主導(dǎo)作用的都是太陽(yáng)的引力。因此，飛船從地球到火星的旅程，絕大部分是在太陽(yáng)控制下的。如果我們?cè)谕局胁婚_(kāi)動(dòng)力，那么根據(jù)開(kāi)普勒第一定律，飛船的軌跡就是一個(gè)以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓。
基于這些考慮，答案就呼之欲出了。我們走的是這樣一條軌道：它在離開(kāi)地球的時(shí)候與地球繞太陽(yáng)的軌道外切，這是近日點(diǎn);在接近火星的時(shí)候與火星繞太陽(yáng)的軌道內(nèi)切，這是遠(yuǎn)日點(diǎn)。在中間路程，它是一個(gè)以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓的一部分。整個(gè)行程中，發(fā)動(dòng)機(jī)只需要點(diǎn)火兩次，就是在起點(diǎn)和終點(diǎn)。這樣耗費(fèi)的燃料最少，而且操作最為穩(wěn)妥高效。
這樣的軌道，叫做“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”。它是在1925年，由德國(guó)物理學(xué)家沃爾特·霍曼提出的。一條霍曼轉(zhuǎn)移軌道的路程長(zhǎng)達(dá)6億公里左右，約為地火最近直線距離的十倍，需要飛行大約260天即約9個(gè)月。
如果愿意消耗更多的燃料，投入更大的成本，當(dāng)然可以抄近路。這叫做“快速轉(zhuǎn)移軌道”。例如，美國(guó)2018年發(fā)射的“洞察”號(hào)依靠強(qiáng)大的火箭和最好的時(shí)間窗口，只走了4.8億公里，只用7個(gè)月就到達(dá)了火星。
不過(guò)，化學(xué)火箭的能力已接近上限。因此，再怎么投入也很難讓從地球到火星的時(shí)間少于6個(gè)月。但是新的推進(jìn)技術(shù)正在發(fā)展中，例如離子電推進(jìn)和核能推進(jìn)。如果這些技術(shù)成熟，地球到火星的行程有望大大縮短。
中國(guó)起點(diǎn)高
此前，大部分成功的火星項(xiàng)目都來(lái)自美國(guó)。當(dāng)年的蘇聯(lián)和后來(lái)的俄羅斯都嘗試過(guò)不少次，但大都以失敗告終。
2011年，中國(guó)的火星探測(cè)器“螢火一號(hào)”參與俄羅斯的“福波斯-土壤號(hào)”探測(cè)計(jì)劃，搭乘俄羅斯的火箭升空。但由于來(lái)自宇宙的高能粒子突然增加，探測(cè)器芯片失效，無(wú)法變軌，最終在大氣中焚毀。
當(dāng)時(shí)，中國(guó)沒(méi)有能把大型載荷送到火星的火箭，也沒(méi)有能達(dá)到火星的全天域深空通信網(wǎng)絡(luò)。但如今，中國(guó)擁有了運(yùn)力強(qiáng)勁的長(zhǎng)征五號(hào)火箭。此外，也開(kāi)發(fā)出了深空通信網(wǎng)絡(luò)，并在2019年嫦娥四號(hào)登陸月球背面的壯舉中就發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
中國(guó)在火星探測(cè)領(lǐng)域是一個(gè)后來(lái)者，但起點(diǎn)卻相當(dāng)高。“天問(wèn)一號(hào)”將一次執(zhí)行“繞落巡”三項(xiàng)任務(wù)，其載荷包括三部分：環(huán)繞器(也稱軌道器)，它可以環(huán)繞火星觀測(cè)和跟地球中繼通信;著陸器，用來(lái)登陸火星;以及巡游器，也就是火星車。
其他國(guó)家的第一次火星任務(wù)，多是只有環(huán)繞，或者連繞帶落，或者連環(huán)繞都沒(méi)有，只是飛掠，從來(lái)沒(méi)有一上來(lái)就做全套的。
“繞落巡”三步中最困難的是“落”。目前只有美國(guó)成功實(shí)現(xiàn)過(guò)“落”，以及隨后的“巡”。其他國(guó)家嘗試過(guò)好幾次登陸火星，但都失敗了。中國(guó)選擇如此激進(jìn)的路線，說(shuō)明對(duì)自身的技術(shù)相當(dāng)有信心。此外，還有一個(gè)原因，那就是只有大踏步地前進(jìn)，才能取得更有價(jià)值的科學(xué)成果。
單純依靠“繞”和“落”能觀察到的現(xiàn)象，很多前人都已經(jīng)做過(guò)了。因此如果要真正在科研探索上有所突破，就需要“繞落巡”全都上。尤其是火星車可以自由移動(dòng)，可以探索別人沒(méi)去過(guò)的地方。
這背后一個(gè)需要回答的問(wèn)題是：探索火星是為了“面子”，還是真的要做科學(xué)探索?
一個(gè)戲劇性的例子，來(lái)自印度。早在2013年11月，印度就發(fā)射了“曼加里安號(hào)”火星探測(cè)器，在飛行了11個(gè)月后，于2014年9月進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道。
憑借這項(xiàng)成就，印度成為了第一個(gè)也是目前唯一一個(gè)首次探測(cè)火星就完全成功的國(guó)家。
不過(guò)，這里的關(guān)鍵在于“完全成功”。有些國(guó)家或地區(qū)的首次任務(wù)，雖然只是部分成功，但取得的科學(xué)成果卻比印度多得多，例如歐洲的“火星快車”。所以印度的“完全成功”是在目標(biāo)很低前提下的成功，基本上只有刷自豪感的價(jià)值。
有了這些背景，才能更好理解中國(guó)探測(cè)火星的策略選擇。歷史上，美蘇都投入了巨大的資源進(jìn)行太空探索。蘇聯(lián)起步還早一些，初期具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。不過(guò)美國(guó)后來(lái)居上，超過(guò)了蘇聯(lián)。一個(gè)重要原因是，美國(guó)意識(shí)到太空事業(yè)的發(fā)展要以科學(xué)來(lái)引領(lǐng)。
例如，1957年，蘇聯(lián)的人造衛(wèi)星記錄到了地球上空上萬(wàn)公里處的輻射帶，但認(rèn)為是儀器問(wèn)題。幾個(gè)月后，美國(guó)的人造衛(wèi)星也發(fā)現(xiàn)了這個(gè)輻射帶。這成了一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)，被命名為范艾倫輻射帶，范艾倫是美國(guó)物理學(xué)家和早期衛(wèi)星的研制者。
中國(guó)火星探測(cè)首席科學(xué)家萬(wàn)衛(wèi)星院士，2020年5月20日因癌癥去世，享年僅62歲。他在2019年的一篇文章中談到：“如果說(shuō)第一次熱潮的主題是探測(cè)競(jìng)賽，比的是誰(shuí)先跑得最快，那么第二次熱潮的主題應(yīng)是科學(xué)競(jìng)賽，比的是誰(shuí)先看得最深。人們已經(jīng)不滿足于到行星表面看一看，而是看向時(shí)間的深處——研究行星的演化歷史，看向空間的深處——研究行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，看向人類的深處——研究生命起源和尋找地外生命。”
2020年7月13日的《自然·天文學(xué)》，刊登了萬(wàn)衛(wèi)星的訃告以及他介紹天問(wèn)一號(hào)的文章：“‘天問(wèn)一號(hào)’將在第一次嘗試中就進(jìn)行環(huán)繞、著陸和釋放巡視器，并與軌道器協(xié)調(diào)觀測(cè)。從來(lái)沒(méi)有任何行星任務(wù)是以這種方式開(kāi)展的。如果成功，將標(biāo)志著一次重大的技術(shù)突破。從科學(xué)上講，‘天問(wèn)一號(hào)’是對(duì)火星形態(tài)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、空間環(huán)境、土壤和水冰分布等進(jìn)行研究的最全面的任務(wù)。”(文丨袁嵐峰 作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心副研究員)
