◆ 從科學(xué)上講，“天問一號”是對火星形態(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，長征五號遙四運(yùn)載火箭托舉著我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器，在中國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火升空。

　　“天問一號”將承載我國第一個(gè)火星探測任務(wù)，著陸在火星表面完成巡視探測，獲取火星科學(xué)數(shù)據(jù)，一次性實(shí)現(xiàn)對火星“環(huán)繞、著陸、巡視”三大目標(biāo)。

　　火星探測器發(fā)射成功只是“萬里長征第一步”，“天問一號”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，“天問一號”將被火星引力俘獲，在地面測控系統(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，“天問一號”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)，信號傳輸一個(gè)來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，這意味著著陸過程不能由人工進(jìn)行干預(yù)，而是由“天問一號”上自帶的著陸程序完成。

　　成功著陸后，火星車將從著陸平臺上走到火星表面，開展探測作業(yè)，為期大約90多天。

　　為什么要去火星

　　為什么要去探測火星？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，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：水星離太陽太近，一切都被烤焦了；木星以及更外圈的離太陽太遠(yuǎn)，一切都被凍僵了。最有可能的，就是離太陽距離適中的金星、地球、火星，這三個(gè)處于太陽系的“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目標(biāo)。人類第一個(gè)接近其他行星的探測器，是1962年美國的水手2號，它的目標(biāo)就是金星。

　　然而，人類探測金星的熱情，很快就消退了。歷史上總共有10個(gè)探測器在金星著陸，都來自蘇聯(lián)。但其中工作時(shí)間最長的只有127分鐘（金星13號），最短的只有23分鐘（金星7號）。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460攝氏度，比離太陽最近的水星的向陽面還熱。

　　作為對比，火星大氣稀薄，密度不到地球的1%。雖然這聽上去也很糟糕，但跟金星對比，就會明白什么叫做“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，而且波動范圍很大，可以上至30攝氏度，下至-100攝氏度以下。對比金星的460攝氏度，也會感覺好多了。

　　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，甚至是火星人開掘的運(yùn)河。雖然截至目前我們沒有在火星上發(fā)現(xiàn)任何生命。不過，火星歷史上應(yīng)該有過活躍的地質(zhì)運(yùn)動與河流，但由于太陽風(fēng)的吹拂以及小行星的撞擊等原因，后來逐漸都消失了。

　　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。對于這些“小強(qiáng)”來說，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。

　　未來一段時(shí)間里，掘地三尺尋找生命，就是火星探測的一個(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，帶來的沖擊是巨大的。

　　7月20日，阿聯(lián)酋首個(gè)火星探測器發(fā)射。在搭載“希望”號火星探測器的H2A運(yùn)載火箭發(fā)射升空后，阿聯(lián)酋民眾在迪拜的穆罕默德·本·拉希德航天中心歡呼慶祝。 新華社/路透

　　如何去火星

　　從地球怎么才能到火星呢？

　　首先來看距離。地球和火星都在圍繞太陽公轉(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。火星軌道稍微扁一點(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，地火距離最近是當(dāng)太陽、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杻蛇吪懦梢痪€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780天后，地球走過了780/365=2.14圈，火星走過了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連成一線。

　　由此決定了，每過780天即大約26個(gè)月，就會出現(xiàn)一個(gè)火星探測的窗口期。在2020年的窗口期中，終于出現(xiàn)了中國的火星探測項(xiàng)目：天問一號。

　　下一個(gè)問題是：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。在太陽系里，最大的引力源就是太陽。除了在每個(gè)行星附近之外，在絕大部分空間起主導(dǎo)作用的都是太陽的引力。因此，飛船從地球到火星的旅程，絕大部分是在太陽控制下的。如果我們在途中不開動力，那么根據(jù)開普勒第一定律，飛船的軌跡就是一個(gè)以太陽為焦點(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：它在離開地球的時(shí)候與地球繞太陽的軌道外切，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)以太陽為焦點(diǎn)的橢圓的一部分。整個(gè)行程中，發(fā)動機(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2018年發(fā)射的“洞察”號依靠強(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，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。

　　7月23日，長征五號遙四運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火升空，實(shí)施我國首次火星探測任務(wù)（天問一號任務(wù)）。 新華社記者 才揚(yáng) 攝

　　中國起點(diǎn)高

　　此前，大部分成功的火星項(xiàng)目都來自美國。當(dāng)年的蘇聯(lián)和后來的俄羅斯都嘗試過不少次，但大都以失敗告終。

　　2011年，中國的火星探測器“螢火一號”參與俄羅斯的“福波斯-土壤號”探測計(jì)劃，搭乘俄羅斯的火箭升空。但由于來自宇宙的高能粒子突然增加，探測器芯片失效，無法變軌，最終在大氣中焚毀。

　　當(dāng)時(shí)，中國沒有能把大型載荷送到火星的火箭，也沒有能達(dá)到火星的全天域深空通信網(wǎng)絡(luò)。但如今，中國擁有了運(yùn)力強(qiáng)勁的長征五號火箭。此外，也開發(fā)出了深空通信網(wǎng)絡(luò)，并在2019年嫦娥四號登陸月球背面的壯舉中就發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

　　中國在火星探測領(lǐng)域是一個(gè)后來者，但起點(diǎn)卻相當(dāng)高。“天問一號”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)繞火星觀測和跟地球中繼通信；著陸器，用來登陸火星；以及巡游器，也就是火星車。

　　其他國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)繞都沒有，只是飛掠，從來沒有一上來就做全套的。

　　“繞落巡”三步中最困難的是“落”。目前只有美國成功實(shí)現(xiàn)過“落”，以及隨后的“巡”。其他國家嘗試過好幾次登陸火星，但都失敗了。中國選擇如此激進(jìn)的路線，說明對自身的技術(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，可以探索別人沒去過的地方。

　　這背后一個(gè)需要回答的問題是：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，來自印度。早在2013年11月，印度就發(fā)射了“曼加里安號”火星探測器，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)首次探測火星就完全成功的國家。

　　不過，這里的關(guān)鍵在于“完全成功”。有些國家或地區(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，才能更好理解中國探測火星的策略選擇。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。不過美國后來居上，超過了蘇聯(lián)。一個(gè)重要原因是，美國意識到太空事業(yè)的發(fā)展要以科學(xué)來引領(lǐng)。

　　例如，1957年，蘇聯(lián)的人造衛(wèi)星記錄到了地球上空上萬公里處的輻射帶，但認(rèn)為是儀器問題。幾個(gè)月后，美國的人造衛(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，范艾倫是美國物理學(xué)家和早期衛(wèi)星的研制者。

　　中國火星探測首席科學(xué)家萬衛(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：“如果說第一次熱潮的主題是探測競賽，比的是誰先跑得最快，那么第二次熱潮的主題應(yīng)是科學(xué)競賽，比的是誰先看得最深。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?！?/p>

　　2020年7月13日的《自然·天文學(xué)》，刊登了萬衛(wèi)星的訃告以及他介紹天問一號的文章：“‘天問一號’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。從來沒有任何行星任務(wù)是以這種方式開展的。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，‘天問一號’是對火星形態(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? 作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員）

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責(zé)任編輯： 王佳寧