解读“天问一号”：中国人为什么要探测火星？

苏萌 香港大学物理系副教授，空间研究实验室执行主任 2020年7月23日，“天问一号”火星探测器在我国海南文昌发射场发射升空。这是中国首次行星探测任务。天问一号由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成，总质量约5吨。本次探测任务将一次性完成“绕、落、巡”三大任务，这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。本文将带大家一起认识中国的火星探测之旅。 为什么要去火星 各种科幻电影里，经常出现人类把火星当作移民太空的目的地，最近也有不少火星题材的科幻电影找我咨询相关的内容。火星之所以成为人类太空移民的首选地，首先是因为它是与地球相对距离比较近的邻居之一，与地球同处于太阳系的“宜居带”中。 另外，很多学者认为火星曾经具备非常宜居的行星环境，也是太阳系内跟地球环境最相似的行星。火星实际上拥有支持生命所需的所有资源，未来人类有可能通过开发、改造与利用，形成新科技文明，让人类实现在另一个星球的繁衍，成为多星球、跨星际的物种。 当然这一切的实现都依赖于人类未来能大规模登陆火星、必要物资运输往返于地球与火星，我们需要学会如何有效地利用太阳能，将火星本地的物质转化为可以利用的资源，在火星建立越来越多适合居住的城市，并最终将它改造成一个更适合居住的星球——人类的第二家园。今天我们走出的就是通向这个激动人心的未来的第一步。 26个月一次的太空旅行 关于火星探测，一个常见的名词就是“火星冲日”，每26个月才会出现一次的天文现象。如何理解这一现象对于火星探测的意义呢？ 在太阳系这个“操场”上，八大行星在各自的跑道上逆时针绕着太阳跑。地球在第三跑道，火星在第四道，即便跟火星挨着跑道距离“不算远”，也是到月球距离的140倍到1000倍。 地球的公转周期是365天，火星的公转周期是687天（也就是说火星上一年相当于地球上两年的时间），两者会合周期是779.9天。由于行星公转的非均匀性，可以说地球和火星处于最近点的时间间隔为780天，就是约26个月，也就意味着一旦错过发射窗口就需要再等两年。 2020年是两年一次的火星年，而今年的7月中旬至8月中旬则是最佳的“火星探测窗口月”。2020年10月14日将迎来“火星冲日”的天文学现象，也就是说到时火星、地球和太阳所处的轨道位置将能大致形成一条直线，火星和地球的距离也将相对最近（今年的距离大约是6700万千米）。 当然，如果等到“火星冲日”之时再从地球发射探测器，等几个月飞过去，火星早已不在原地等着了。所以考虑到我们与火星的距离以及地球和火星的公转速度，最佳的发射时间是“火星冲日”之前两个月左右，此时火星恰好处于地球前方约44°的相对位置。 因此，每隔26个月才会出现一个发射机遇期，每次时长约在一个月左右，这就是火星探测器的“发射窗口”。阿联酋“希望”号火星探测器于2020年7月20日升空；美国宇航局（NASA）的“毅力”号也紧随我国天问一号之后在7月30日发射。 探测火星有多难 从1964年“水手4”号火星探测器发射，1965年回传第一张火星表面照片开始，50多年时间里，人类已先后对火星开展了大约50次火星探测，但是整体上成功率也就一半左右。为什么火星探测这么困难呢？探测火星的难度主要在于地球与火星之间距离遥远，以及对火星环境的不可控性。相比地月距离，地球与火星的距离最远时约为4亿千米，最近时也有约5600万千米。以我国这次将要发射的火星探测器为例，需要飞行200多天才能到达遥远的火星。这带来的首个挑战就是在携带燃料有限的情况下，探测器如何能够飞越如此遥远的距离，并且要精准地进入火星轨道。这就需要我们对探测器飞行轨道进行精密的设计。 通常来说，火星探测有四种方式：探测器从火星轨道飞掠（也就是不被火星引力俘获），抓拍照片（早期的火星探测连抓拍都没能实现，第一次还是1965年水手4号实现了模糊抓拍）；在火星轨道上绕飞，进行较远距离的遥感探测（环绕器）；探测器实际降落到火星表面，开展火表就位探测和实验（着陆器）；以及能在火星上具备移动能力的巡视器（火星车）。 2016年1月批准立项的天问一号是我国首次自主执行火星探测任务，计划一步实现火星环绕、着陆和巡视探测（一次性实现“绕、落、巡”三大任务），获取丰富、立体、多样的火星探测科学数据，这在世界航天史上还没有过先例。即使我们有了“五战五捷”的探月经验作为基础，也依然面临着非常大的挑战。采用这种跨越式发展的路线，将迈出我国行星深空探测坚实的第一步，更体现了我们国家航天工业水平的深厚积累和自信！ 根据目前的计划，探测器将于2021年2月11日前后进入环绕火星运行的轨道，并于2021年4月23日通过着陆器降落火星车到火星表面，进行设计寿命90天的探索工作。天问一号火星探测器进入太空后，整流罩中的天问一号火星探测器会与火箭“星箭分离”，先在地球附近加速，中途会进行必要的修正，进入霍曼转移轨道利用惯性保持飞行，进入正确轨道对火箭的运载能力和入轨精度有很高的要求，所以这次发射任务使用了新一代运载火箭中推力最大的“胖五”——“长征五号”运载火箭，这次任务也称之为长征五号遥四运载火箭。 天问一号独自飞向火星的孤独之旅大概需要7个月的时间，在惯性飞行过程中不需要消耗燃料。等到达火星轨道时，探测器会择机进行“刹车”制动，降低飞行速度进入火星引力场范围，切入火星轨道，被火星捕获。这又是一个精准的操控过程：在切入火星轨道时，如果切入点离火星太近，探测器可能会坠毁；如果太远，探测器可能无法被引力捕获而掠过火星。本次火星探测任务需要实现的第一阶段目标就是：环绕火星飞行。 切入火星轨道后，再经过多次调整，环绕器就可以在任务轨道进行环绕探测了。这时我们将迎来火星探测任务的第二个阶段，也是最难的任务——火星软着陆。火星探测器需要将2万多千米/小时的超高速，减到火星着陆时的零速度，整个过程需要在7分钟内完成，也被行内称为“恐怖7分钟”。在7分钟内，让其速度在受控状态下降为零。我们知道火星大气密度只有地球的1%，并不利于降速。实现在火星上的安全着陆是火星探测任务中技术难度最大、失败率最高的环节。着陆器何时开始减速进入火星大气、进入的姿态、进入的角度都需要精准控制，每一个环节的细节都是着陆能否成功的关键，必须非常精确，不容任何闪失。我们对于火星上特殊的环境，尤其是大气状况的了解非常有限。再加上地火距离遥远，从地球发送到火星的单程无线电信号，单程延时超过20分钟，一来一回就接近一个小时，火星探测实时响应无法实现，不可能依靠地球指挥着陆。 执行中国首次火星探测任务（行星探测工程天问一号任务）的长征五号遥四运载火箭 天问一号任务计划采用的减速方式将分为四个阶段进行。第一个阶段是气动减速段，探测器先从运行轨道自由下落，与大气层发生剧烈摩擦，等于踩下“急刹车”，在大约290秒内将速度从4.8千米/秒骤然降低到460米/秒。在经历大气层的严酷考验后，紧接着探测器打开降落伞缓缓降落，在大约90秒后，速度会进一步降到约95米/秒。随后进入第三个阶段——动力减速段，探测器的反推发动机开始工作，在80秒内将速度降到3.6米/秒以下。当探测器距离火星表面约100米高时，就进入了最后的着陆缓冲段，探测器准备开始悬停避障。此时探测器的速度已经很慢了，探测器会自主观察火星表面，快速计算出最佳着陆点。最终它将水平移动到该点上方，伸出“四条腿”，并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。 另外，火星地表沙尘暴非常暴烈，一旦发生全球性沙尘暴，破坏力是地球12级台风的6倍。苏联的探测器就曾遇到沙尘暴而导致任务失败。现在只有美国软着陆火星成功过，但失败也同样很多。可以说月球探测的难度跟火星探测相比，一个是渡江，一个是跨洋。一切顺利的话，天问一号着陆巡视器将选择合适的时间软着陆在火星表面的乌托邦平原，火星车从着陆器缓缓走下，开始巡视和科学探测任务。这是天问一号的一小步，也是中国行星探测的一大步。 天问：怀揣中国航天梦的远征 天问一号中“天问”的命名来源于中国伟大的爱国主义诗人屈原的长诗《天问》，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。在2020年4月24日中国航天日上，中国行星探测任务被正式宣布命名为“天问系列”，首次火星探测任务被命名为天问一号，后续行星任务则依次编号。 这里介绍一下中国行星探测工程的整体概念，它以“揽星九天”作为工程的图形标识，太阳系八大行星依次排开，表达了宇宙的五彩缤纷，呈现科学发现的丰富多彩。标识以开放的椭圆轨道整体倾斜向上，展示了独特字母“C”的形象，代表了中国行星探测（China），体现着国际合作精神（Cooperation），标志着深空探测进入太空能力（Capability）。意义深远的名称与图形标识承载着中国人航天强国的梦想，为人类和平利用太空、推动构建人类命运共同体贡献更多中国智慧、中国方案和中国力量。前往未至，发现未知。 哪些科学问题值得关注 人们现在认为火星在几十亿年前曾是适合生命演化的环境，那么今天火星上到底有生命吗？如果今天没有，是否的确存在过生命？如果存在过，火星的生命起源跟地球有什么相似之处，是否有着共同的起源？那是否意味着生命在更广泛的宇宙环境中可能存在，或者至少有存在的条件？我们又应该去哪里寻找？这些问题都直指最基本的问题：我们是谁，我们从哪里来，要往何处去？ 天问一号计划开展多项科学研究，比如火星的磁场探测与演化研究，地形地貌特征，火星大气层与电离层的探测及相关的环境科学等。火星的起源与演化研究又可以给我们提供除了地球以外的又一个行星样本，帮助我们研究太阳系起源的相关问题。这些研究也为未来大规模移民火星做准备，比如火星的表面物质成分和资源利用的可能性（到火星采矿）。这是未来人类大规模移民的基础。 火星能否成为我们的第二故乡 火星是太阳系中与地球环境最相似，且距离第二近的行星，我们说到了解火星对研究地球早期历史和生命起源有着重要价值，也对人类拓展生存空间具有重要意义。因此它也成为目前除地球以外人类研究程度最高的行星。如果天问一号探测任务成功完成，也将为我们提供关于火星的大量全新信息。当然，火星虽然与地球十分相似，但是目前已知的火星环境还远不能满足人类基本的生存需求，比如火星的大气太稀薄、氧气含量太低、昼夜温差太大…… 水是生命存在的基础条件之一。现在的理论认为火星上曾经存在的水量平均下来能达到100米深，火星的北半球几乎都曾被海洋覆盖。这么大量的水现在都看不到了需要得到解释。有可能部分逃逸到太空中，另外不知什么原因，火星的水也可能都转入到地下了。此前的各种探测在火星表面似乎发现了液态水流过的痕迹，也有证据表明大量的水冰存在于极地的冰盖中。基于这些证据推测到火星上可能存在过生命，虽然20世纪七八十年代开始的多次直接火星探测都没有发现生命的迹象。 在以往的火星探测中可以发现，火星上有海岸线、冲积扇、鹅卵石等地质特征；在对火星岩石的探测中，科学家还发现了被水浸泡形成的特殊矿物等。这些都证明，这里曾出现过大规模的江河湖海，可以想见，曾经的火星可能也是一片泽被茂盛、生机蓬勃的天地。 2018年，科学家在火星南极冰盖下发现20千米宽的液态水体，更让科学界为之一振。为了绘制火星的地质结构图，天问一号环绕器和火星车都配备了探地雷达。环绕器上的雷达可以“看透”几千米深的地层，火星车上的雷达虽然看不到这么深，但分辨率却能达到厘米级，期待能帮助我们了解火星地表以下的水冰分布。 那么火星上的水是怎么“丢失”的呢，火星的环境为什么会突然“恶化”呢？一个明明处于宜居带之内、被人们寄予厚望、可能存在生命的星球，是如何变成了如今寸草不生的荒漠呢？有理论认为，火星曾拥有和地球类似的磁场。然而随着火星内核中熔融的铁逐渐冷却，它的磁场也逐渐减弱甚至消失。失去了地磁场的火星被暴露于太阳风和辐射下，导致其失去了地表水和大气。 火星的磁场究竟发生过怎样的变化？天问一号另一项激动人心的任务是探测火星的磁场。天问一号环绕器与火星车将为我们提供更多的证据。除此之外，环绕器和火星车还将搭载矿物光谱仪、高能粒子分析仪、激光击穿光谱仪等多种仪器。这些设备将帮助远在地球的科学家研究火星岩石、土壤和大气的成分，更好地了解火星环境。研究领域涉及火星的地形地貌、岩石物质成分、土壤厚度成分、次表层地下水体分布、重点着陆区域详查、火星磁层、电离层、大气层和气候研究，磁场、重力场的探测等。除了卫星工作必要的功能外，天问一号共搭载有13台科学探测仪器。 多位“探火”选手陆续出发 7月20日凌晨，阿联酋希望号火星探测器搭乘三菱重工H-IIA火箭从日本种子岛航天中心发射升空。作为“火星2020”第一个出发的选手，希望号成功发射入轨，开始了漫长的火星旅程。第二位选手——我国的天问一号于7月23日发射，将成为全球第一个首次探索火星就一举完成火星着陆并开展“绕、落、巡”的国家，开展火星全球性和综合性探测，并对火星表面重点地区精细巡视勘查。 第三位选手——美国的毅力号于7月30日发射，它以寻找生命相关标志物为探测重点目标，有以下几大任务：一是在火星上火山口附近提取火星岩石样本，并妥善封存在43根样品管中（这些样本有望在2030年之前被后面的火星探测任务带回地球）；二是从火星富含二氧化碳的大气中制造氧气（实验性的技术验证），为人类未来登上火星探路；三是释放“创造”号火星无人机，在火星进行受控飞行。核心目的还是希望能回答“火星上究竟是否有过生命”这一最为关键的火星科学问题。 本来是有第四位选手的，由俄罗斯研制着陆器，欧洲空间局研制火星车，两者合体前往火星。这辆采用太阳能发电的火星车，将钻入地下两米深处进行采样分析，或许这里还保留着远古时代形成的微生物证据。然而可惜的是，2020年3月12日，欧空局和俄罗斯宇航局突然宣布由于新冠疫情的影响，该任务推迟两年到下一个火星发射窗口发射。 商业航天何时开展火星探测 航天是一个系统工程，深空探测尤其体现了航天工程的系统性和复杂性。遥远的距离也给航天器的通信、测控带来了极大困难。所以说火星探测是检验一个国家航天能力，尤其是深空探测能力的试金石，一度只有国家层面才有可能开展火星探测。自从美国的SpaceX公司开启私营航天新时代以来，过去只在科幻电影与小说中出现的太空旅游情节，已不再那么遥不可及，SpaceX就在不久前刚刚把两位宇航员成功送入国际空间站。随着民营企业在航天领域的迅速崛起，未来火箭发射成本降低，地球与火星廉价航线的开通还是很值得期待的。中国商业航天从2015年开始也迅速成长起来，相信商业月球探测、小行星探测、火星探测已经离我们不远了。 于太阳系而言，八大行星之外，还有无数小行星和彗星等着我们去探索；于银河系而言，太阳也只是一颗中等质量、中等亮度、中等能量、中等寿命的普通得不能再普通的恒星；于可观测宇宙而言，像银河系这样的至少还有数千亿个……诚然，与宇宙137.7亿年的漫长历史相比，人类文明仅数千年之久。火星不会比地球更美好，今天的火星远不适合人类生存，但人类必须去探索，这是写入人类基因的渴望，也是这个物种的宿命。 中国开展火星探测有什么意义 很多人问我中国首次自主火星探测任务的意义，其实我不知道该怎么回答，科学意义、工程意义、里程碑意义，小至一批青年人几乎全部青春的付出，大至中国的航天事业，一个国家，一个时代，其实能说的很多。天文学的研究其实很看淡时空坐标，毕竟把宇宙137.7亿年的历史压缩成一年，人类的现代文明真的就是“灭霸”的一个响指那么短暂。 你可以这么想，地球上最古老的文明们都曾经对天空中一颗最特别的火红色光亮星球发出过惊叹。一个东方的古老文明留下了一篇诗歌，这篇诗歌记载了困惑着他关于这个未知而神秘的世界的146个问题，几千年来历经沧桑的文明一直惦记着老祖宗的那些问题，在这片土地上的文明重新崛起的过程里，还没有忘记这个初心。2020年7月23号，一群航天人向着这颗红色热土吹响冲锋号，这片土地上的人民都应该仰望苍穹，我们向伟大的祖先致敬，向伟大的时代致敬，向这个伟大的文明，致敬！ 天问，问天。2300多年前，屈原问苍穹，留下来的是古人洞悉千年时空的智慧。我想在这片中华大地上不知有多少人曾把酒问天，中华民族传承着千年梦想。我不知道如何能够形容我内心的感慨万千，这是一个民族跨越山河与时空的声音。问天，就在今天！ 本文由微信公众号“知识分子”（The-Intellectual）提供 _____________________ 本文作者苏萌是高能天体物理学最高奖Bruno Rossi Prize最年轻得主，研究工作入选美国物理学会评选的“世界十大物理学进展”、《天文学》杂志评选的年度十大天文学进展等。参与国内外多个空间科学探测项目，主要研究方向有宇宙起源与早期演化，暗物质与暗能量探测，行星科学与深空探测，高能天体物理与引力波探测等。