本文作者：魯暘筱懿

行星物理學(xué)博士、國(guó)家遙感中心副研究員

“遂古之初，誰(shuí)傳道之？”——中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的詩(shī)人屈原這樣問天。他的這首長(zhǎng)詩(shī)《天問》表達(dá)了我國(guó)古人對(duì)于天地奧秘的好奇與思索。

“天問”是個(gè)大計(jì)劃

自1961年以來，人類已經(jīng)向火星發(fā)射了40多個(gè)探測(cè)器，其中15次成功進(jìn)入了火星軌道，8次成功著陸，并釋放了3輛火星車（巡視器）。

如蘇聯(lián)的“金星”、美國(guó)的“水手”行星探測(cè)計(jì)劃一樣，中國(guó)的“天問”計(jì)劃也是由若干探測(cè)任務(wù)組成的系列深空探測(cè)計(jì)劃。

開啟這一征程，也意味著中國(guó)將正式跨入行星探測(cè)時(shí)代。繼載人航天、探月工程后，中國(guó)根據(jù)本國(guó)國(guó)情綜合考慮開啟的又一太空探索計(jì)劃。

事實(shí)上，天問一號(hào)火星探測(cè)任務(wù)是天問行星探測(cè)計(jì)劃的第一個(gè)任務(wù)單元，目標(biāo)是探測(cè)火星表面物質(zhì)成分、火星磁場(chǎng)及宇宙輻射環(huán)境、著陸區(qū)附近是否存在水冰、火星的氣候，以及對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)的火星表面進(jìn)行拍照，從而為科學(xué)家進(jìn)一步了解火星演化提供“新鮮的”、“一手的”科學(xué)依據(jù)。

中國(guó)通過嫦娥探月計(jì)劃十六年的積累總結(jié)了豐富的深空探測(cè)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐了如何將探測(cè)器降落到地外天體上、遠(yuǎn)程操控探測(cè)設(shè)備對(duì)地外天體（月球及小行星）進(jìn)行各類型探測(cè)、了解了地月間的各種物理場(chǎng)及空間環(huán)境狀況。

天問計(jì)劃的實(shí)施將意味著今后我們除了會(huì)經(jīng)常聽到來自月球的“聲音”，還會(huì)時(shí)不時(shí)聽到火星的“回應(yīng)”。

“乘風(fēng)破浪”的天問一號(hào)

我們知道，火星上存在稀薄的大氣層，南北兩極有冰蓋……這些環(huán)境特征使火星像極了地球，雖然火星是顆沙漠星球，卻絲毫沒有減弱人類移民火星的決心。為能做好去往火星生活的準(zhǔn)備，人類花了大力氣去實(shí)地了解這顆紅色星球。

每次發(fā)往火星的探測(cè)器都會(huì)裝備許多科學(xué)儀器。這次天問一號(hào)也不例外，重5000千克的探測(cè)器上的13臺(tái)科學(xué)載荷讓這顆中國(guó)研制的火星探測(cè)器成為名副其實(shí)的“重裝騎士”。

13臺(tái)科學(xué)載荷包括：

軌道飛行器上的七臺(tái)儀器：

兩臺(tái)攝像機(jī)，火星軌道地下探測(cè)雷達(dá)，火星礦物學(xué)光譜儀，火星磁場(chǎng)儀，火星離子和中性粒子分析儀以及火星高能粒子分析儀；

火星車上安裝的六種儀器：

多光譜攝像機(jī)，地形攝像機(jī)，火星探測(cè)器地下探測(cè)雷達(dá)，火星表面成分檢測(cè)器，火星磁場(chǎng)檢測(cè)器和火星氣象監(jiān)測(cè)器。

這位“騎士”先要騎上全新研制的長(zhǎng)征五號(hào)重型火箭擺脫地球引力的束縛，然后巧妙地借助“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”省時(shí)省力地踏上去往火星的征程。

大約在2021年2月，天問一號(hào)將被火星引力捕獲，從而開始繞火星軌道飛行，4月左右將擇機(jī)著陸火星表面?？此坡唤?jīng)心的一次飛行，實(shí)則步步驚心。

探測(cè)器沖出大氣層保護(hù)的一剎那，它將開始受到宇宙高能粒子和射線的輻射。這對(duì)于探測(cè)器部件的穩(wěn)定性和壽命將是極大考驗(yàn)。一些核心計(jì)算單元的可靠性將極大影響各重要飛行控制節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

如果天問一號(hào)是顆載人登火飛船，那么上面的宇航員將在長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月的星際旅行中不得不面對(duì)宇宙空間內(nèi)人類生存的考驗(yàn)。這也是我們必須認(rèn)真對(duì)待“腦科學(xué)”等生物學(xué)前沿學(xué)科的原因。

就算旅途中一切順利，降落至火星表面前的7分鐘也將是所有著陸火星的探測(cè)計(jì)劃最重要的環(huán)節(jié)。即便到了火星表面，氣溫、光照、輻射環(huán)境的劇烈變化也會(huì)使太陽(yáng)能電池板、溫控單元等部件老化。

天問一號(hào)軌道器設(shè)計(jì)壽命兩年，著陸器及巡視器設(shè)計(jì)壽命為90天。

要命的7分鐘

如果說探訪月球是側(cè)方位停車，那到訪火星就像是汽車自動(dòng)泊車。目前為止，人類一共向火星派出17個(gè)著陸器，只有7個(gè)安全著陸火星表面。

著陸速度是導(dǎo)致人類在“征服”火星的道路上屢戰(zhàn)屢敗的最大不確定因素。

火星探測(cè)器進(jìn)入火星大氣的時(shí)速約為21000千米，在7分鐘內(nèi)，其速度在受控狀態(tài)下要降為零。

由于火星與地球之間有大約8到40分鐘的通信延時(shí)，工程師會(huì)提前把控制探測(cè)器飛行的數(shù)據(jù)輸入到探測(cè)器上。探測(cè)器將自主決定切入火星軌道的時(shí)機(jī)，切入點(diǎn)離火星過遠(yuǎn)或過近，探測(cè)器終不能順利完成著陸火星的目標(biāo)。

在探測(cè)器進(jìn)入火星大氣時(shí)，其防熱措施、降落傘、氣囊和緩沖火箭等能否按程序工作，每一步驟都將決定探測(cè)器的生死。

在眾多失敗著陸案例中，就有探測(cè)器降落傘提前脫落，而反沖發(fā)動(dòng)機(jī)未及時(shí)開機(jī)直接導(dǎo)致墜毀的事故。而成功逃過這7分鐘魔咒后，天問一號(hào)將著陸在一片相較平坦，科學(xué)家希望能探測(cè)到水冰的火星表面。

縱觀人類想出的著陸火星的方式，總的可歸納為軟著陸和硬著陸兩種方式。軟著陸是利用降落傘和反沖發(fā)動(dòng)機(jī)的無縫配合著陸的方式。比如天問一號(hào)、好奇號(hào)都是采用的這一方式。

另一種硬著陸方式則是科學(xué)突發(fā)奇想利用能量守恒原理，采用氣囊緩沖的方式使探測(cè)器多次觸地最終靜止在火星表面的方式。機(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào)這兩個(gè)孿生兄弟就是采用這種“滑稽”方式硬著陸火星的。

即便趕往火星需要乘風(fēng)破浪，著陸火星尚需經(jīng)受“黑色7分鐘”的考驗(yàn)，但依然不能阻擋人類仰望星空，將自己置身于類地家園上的決心。

織網(wǎng)捕“天”

由于火星距離地球最遠(yuǎn)時(shí)超過4億千米，這將對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)射提出挑戰(zhàn)。

這些年得益于嫦娥工程及一些列空間探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，我國(guó)已建立起一張深空測(cè)控網(wǎng)。這張網(wǎng)將由于火星探測(cè)、小行星探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施而日益強(qiáng)大。

天問一號(hào)探測(cè)任務(wù)將包括“繞”“落”“巡”三個(gè)部分。每一步都需要地面測(cè)控網(wǎng)的鼎力支持。做到深空探測(cè)器、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星等航天器測(cè)控?cái)?shù)據(jù)高效準(zhǔn)確的發(fā)送和接受是每個(gè)掌握深空技術(shù)的國(guó)家必經(jīng)的取經(jīng)路。

我國(guó)的這張網(wǎng)已初具規(guī)模：密云、武清、佘山、佳木斯、喀什、內(nèi)烏肯（阿根廷）以至于海上漂泊的遠(yuǎn)望號(hào)測(cè)量船，這些測(cè)控站極大地改善了我國(guó)深空探測(cè)網(wǎng)的幾何構(gòu)型，有了這張網(wǎng)，我們方可捕獲來自天外的微弱信號(hào)以及向深空發(fā)送控制指令。

三駕馬車共赴熒惑

由于航天發(fā)射窗口期的原因，想又快又省地去往火星，今年的7、8月是絕佳時(shí)機(jī)。7月20日，阿聯(lián)酋首個(gè)火星探測(cè)器希望號(hào)搭乘H-2A運(yùn)載火箭在日本南部的種子島航天發(fā)射中心升空。

近期與天問一號(hào)前后腳發(fā)射的還將有美國(guó)的毅力號(hào)火星探測(cè)器。這三駕馬車共赴熒惑（中國(guó)古人對(duì)火星的稱呼）的場(chǎng)景不由得讓我們聯(lián)想到他們之中誰(shuí)將占據(jù)火星探測(cè)C位的戲劇畫面。

其實(shí)，火星乃至對(duì)于太陽(yáng)系行星際空間的探測(cè)，時(shí)至今日已變成一個(gè)國(guó)際合作的舞臺(tái)。我發(fā)射的探測(cè)器上搭載你的儀器，你的軌道器幫我轉(zhuǎn)發(fā)著陸器探測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)控信息早已不再是航天國(guó)家間不可逾越的鴻溝。在駛向星辰大海的征途上，人類終將戰(zhàn)勝利己，通力合作。