天问·火星

段景颐

经“祝融号”火星车（由“天问一号”搭载）发回的遥测信号确认，“天问一号”火星探测器的着陆巡视器于2021年5月15日7时18分，成功着陆于火星乌托邦平原南部。当时，远在3.2亿千米外的北京航天飞行控制中心的指挥大厅顿时掌声雷动，大厅中的一名女调度员激动之余仍不忘自己的工作，有条不紊地播报着：“根据遥测判断，着陆巡视器转入无控模式。”

“天问一号”的着陆器成功着陆火星，是中国航天史上的里程碑事件。中国航天在行星探測领域后发先至，成功掌握探测器环绕及安全着陆火星的技术。迄今，全世界只有中国与美国两国掌握该项技术;不仅如此，全世界能在一次任务中完成环绕火星和探测器火星着陆这两步的只有中国！

“天问一号”火星探测器成功发射

自主发射

“天问一号”并非是我国首次发射的火星探测器。2011年，代号为“萤火一号”的中国第一艘火星探测器由俄罗斯“天顶2SB”火箭搭载升空，但由于变轨失败，火箭没能顺利离开近地轨道，最终坠毁于太平洋中。

中国航天人没有就此气馁。2020年7月23日，搭载着“天问一号”火星探测器的“长征五号”火箭，从文昌航天发射场徐徐升空后成功脱离地球轨道，飞向火星。“天问一号”探测器总重约5吨。由环绕器和着陆巡视器（简称着陆器）组成，着陆器主要包括进入舱和火星车。“绕、着、巡”是“天问一号”的三大任务，即火星环绕、火星着陆和火面（火星表面）巡视。

如果把太阳系中行星围绕太阳的运行轨道想象成环形跑道，那么地球就在由内向外的第三“跑道”上运行，火星则位于更外层的第四“跑道”。火星的公转周期比地球长，达1.88地球年。因此，火星和地球的直线距离会在5500万～4亿手米之间变化，而火星探测器要走最短路径到达火星，就只有抓住每780天才会出现一次的地火会合期（持续约1个月），此时发射探测器能够大大减少燃料消耗，并缩短飞行总时间。这种在两个轨道间快速迁移的方法，也被称为“霍夫曼转移轨道法”。

“刹车”进入火星轨道0.3%的偏差也不能放过

“天问一号”探测器经过296天的飞行，经过4次中途修正和1次深空机动修正飞行路径，于2021年2月10日进入环火星轨道。接下来，“天问一号”减速，从而被火星捕获，开始环绕火星。“刹车”能否成功，直接决定了，“天问一号”所执行任务的成败：“刹车”踩早了，探测器会一头坠向火星并坠毁：“刹车”踩晚了，探测器会飞离火星，无法被火星捕获。

留给“天问一号”的时间只有30分钟，一旦错过，下一次机会要等到两年后才会出现。最适合“刹车”的时机出现后，“天问一号”的3000牛轨控发动机快速点火启动，并在额定点长时间连续稳定工作，成功完成了让探测器被火星捕获的任务。

“天问一号”火星探测器成功发射

3000牛轨控发动机是“天问一号”成功“刹车”的重要保障之一，为了保证它的可靠性，中国航天人在研制它的过程中没有放过任何偏差。在一次仿真试验中，探测器的捕获制动精度没有达标，这引起研制团队的高度重视。经过多番排查，他们找到了原因。原来，在主发动机推力减弱前，为了便于主发动机工作，燃料会集中到贮箱底部，这个过程名为“沉底”。“刹车”前的沉底时间过长，对捕获控制的速度增量产生了约0.3%的影响。发现问题根源后，研究团队迅速调整了方案，显著提高了“刹车”精度。该团队在四年间不断对方案进行的优化与完善，最终确保了这次关键“刹车”的精确完成。

不着急着陆

完成被火星捕获的“天问一号”并没有立即着陆，而是开始环火星飞行，这一飞就是3个月。为什么“天问一号”进入火星轨道后不马上着陆？这是因为“天问一号”是我国首次抵达火星的探测器，我国航天人对火星地面情况还不熟悉，贸然着陆风险巨大。“天问一号”环绕火星飞行，就是为了挑选合适的着陆地点。同时，火星大气情况变数大，故而“天问一号”在着陆前还要监测火星的大气情况。

经过充分勘测和讨论，“天问一号”的着陆地点被定在火星的乌托邦平原。该平原的中心为洼地，最低处低于火星基准高度7千米。地质学家认为，乌托邦平原可能是火星古代海洋和陆地的交界地带，因此，在这里进行着陆和勘测，更可能帮助科学家揭开火星的地质历史。

着陆：黑色9分钟

2021年5月15日，“天问一号”着陆器准备降落。以当时火星和地球的直线距离计算，若采用地面飞控团队发送信号、着陆器接收和传回信号的控制方式，整个过程需要40多分钟。这显然是不行的！因此，从进入火星大气到着陆火星表面的整个过程需要全部由着陆器自主完成，位于北京的飞控团队无法提供帮助。整个降落过程耗时9分钟，如果在此过程中有任何一步没有顺利完成，都会影响接下来的一系列步骤，因此这也被称为“黑色9分钟”。

环绕器与着陆器分离

在此之前，探测器着陆火星的成功率不到50%。1999年，美国“火星极地登陆者号”由于设计缺陷，在距离火星地面40米的高处失控，最终坠毁。2016年，欧盟和俄罗斯合作的“斯普亚帕雷利号”着陆器在着陆火星前50秒失联，并在降落过程中坠毁。

火星探测器如何与地球通信

“天问一号”的一举一动牵动着北京航天飞行控制中心所有人的心。“天问一号”着陆器需要经历四个阶段的“刹车”才能将速度降至0米/秒。为了尽可能节约燃料，它会先采取气动减速和降落伞减速策略。凌晨4时许，“天问一号”着陆器与环绕器分离，着陆器以14倍音速的高速坠入火星大气层，环绕器则再次爬升并进入环火星轨道。着陆器周围的多个气动喷嘴多次喷射气体，调整着陆器的姿态。随着配平翼展开，着陆器的速度下降到3倍音速，这是“天问一号”进入火星大气后的第一次“刹车”。接着，降落伞张开，着陆器的速度下降到2倍音速，完成隔热使命的隔热大底脱离，着陆腿立刻展开，测距、测速敏感器开始监控高度和速度信息。在距离火星地表还有1.1千米处时，着陆器与降落伞分离，速度降至95米/秒，第二次“刹车”顺利完成。

第三次“刹车”的工作被交给7500牛可变推力主发动机。经过80秒的发动机制动，着陆器的速度降至3.6米/秒。着陆器在距离火星地面100米的高处悬停，并开始扫描火星地表，寻找适合着陆的平坦地面。不久后，着陆器找到了合适的降落地点，主发动机开始减小推力。着陆器缓缓下降。着陆腿完成了最后一次减速，着陆器稳稳降落在乌托邦平原。中国科学院院士叶培建兴奋地说：“这是一次教科书式的着陆，落得非常漂亮。”

准备离开着陆平台的“祝融号”火星车

“祝融号”开动

经过7天的准备工作，5月22日10时40分，“祝融号”火星车驶离着陆平台，开始为期90个火星日的巡视探测。“祝融号”总质量为240千克，最高巡航速度为40米/时，即每秒钟移动1.1厘米。为什么“祝融号”的移动速度如此缓慢？火星地表环境复杂，“祝融号”和地球有最长40多分钟的双向通信时延，“祝融号”上还有大量精密的科学仪器。再加上发射火星探测器的经济成本和时间成本都很高昂，“祝融号”的使命是尽可能长时间执行火星巡视探测，这些因素都决定了“祝融号”只能走一步看三步地慢慢移动。

“祝融号”共携带了六种科学仪器：导航与地形相机、多光谱相机、火星表面成分探测仪、火星车磁强计、次表层雷达和火星气象站。“祝融号”和环绕器一起，共同收集火星地貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等信息。

“祝融号”发回的自拍照

在“祝融号”着陆并巡视期间，“天问—号”的环绕器一直环绕火星。“祝融号”每天只有半个小时能直接向地球发送数据，而环绕器每天能够发送数据的时间更长，因此“祝融号”收集到的数据会先发送给环绕器，再由环绕器以更快的速度传回地球。

环绕器要精准指向地球，难度相当于在2米外瞄准绣花针孔。更难的是，环绕器要在不断运动的情况下始终瞄准地球。位于天津武清的70米口径全可动天线是负责接收“天问一号”传来信号的地面天线之一，它由中国电子科技集团公司第三十九研究所研制，整个天线的总占地面积相当于10个篮球场，总重超过2700吨，天线的指向精度高達1/360°，是亚洲最大的全可动天线。

“天问一号”身上的“黑科技”

火星夜间地表温度可低至-120℃。而着陆器发动机的尾焰温度超过1000℃。为了保证“祝融号”上的实验设备正常工作，“祝融号”采用了由中国航天科工集团第三研究院306所研发的两种超低密度气凝胶，分别应对极低温和极高温。

“祝融号”的能量来自太阳能.但火星和太阳的距离比地球和太阳的距离更远，火星表面的光照强度仅为地球的40%左右。为了保证能量供应，“祝融号”配备了四块硕大的蝴蝶形太阳能帆板，比嫦娥工程月球车的太阳能帆板还大。火星表面经常发生尘暴，美国“机遇号”火星车在经过6个月的巡视探测后，其太阳能帆板的发电功率因尘土覆盖下降近一半。中国航天人正是考虑到这点，才将“祝融号”的太阳能帆板设计得足够大。

“天问一号”的质量每减轻1克，莫节约的发射成本远超1克黄金的价值。由西安交通大学团队研制的镁锂合金是“天问一号”减重的功臣。镁锂合金是最轻的合金材料之一，不但具有可媲美钢材的强度，密度还仅为铝合金的1/2。美国宇航局为航天飞机、人造卫星和探测器配置了多种型号的镁锂合金，但这种优异的航天材料的制造技术在很长一段时间里都被国外垄断。经过先后10年的攻关，我国独立研发出能够用于航天器材的新型镁锂合金。

气凝胶不但很轻，而且能有效隔绝极端高温和低温

像这样的“黑科技”在“天问一号”上还有许多，例如应急信标、悬架减速自锁装置、棺控阵敏感器和轨控发动机等等。航天产业是“金字塔尖产业”，需要运载火箭、发射场、探测器、测控通信等一系列设备和技术。“天问一号”是中国航天科技进步的体现，也标志着我国综合国力越来越强。

迄今火星探测器得到的重要发现

火星轨道上目前有7艘环绕探测器，在火星地表则有包括“祝融号”在内的3辆处于工作状态的火星车、1台固定探测器、1架无人机和4台已经结束任务的探测器。迄今探测器传回的信息让我们对火星有了更深入的了解。

1.火星两极有冰冠覆盖，有季节性水汽，有地下水涌出地面的痕迹。

2.火星过去可能被大面积的海洋、湖泊和河流覆盖。

3火星两极和中纬度地表下存在大量水冰，火星土壤中含有丰富的水分。

4.火星冰盖下被发现有一个直径20千米的冰下湖，这是人类在火星上首次发现的大型液态水体。

5.火星上会下雪（成分为二氧化碳），但雪还没触地就会被蒸发殆尽。

6.火星地表的泥岩被检测出合有硫、氮、氧、磷和碳——它们都是生命存在所必需的关键元素。

7.因为火星没有由内部含铁流体运动而产生的磁场，所以高能宇宙射线会直接抵达火星表面。如果人类上到火星表面活动，这些宇宙射线会严重危害人类的健康。

火星地下水

许多人肯定会问，人类为什么要不停地探索太空？其实，太空探索活动需要包括合成材料、计算机、自动控制、低温以及半导体技术等在内的一系列高精尖技术，实施太空探索能大大推进这些技术发展，并最终反哺民用领域。今天的手机有计步功能，你每天走了多少步是由手机中的加速计模块统计的，而加速计模块最早是装配在人造卫星上的。并且，人类对未知世界的好奇心是支持太空探索活动的最主要动力。火星是我们在太阳系中的“邻居”，地球^最终踏上火星只是时间问题。

“天问一号”背后的国际合作

在承担“天问一号”发射任务的“长征五号”遥四运载火箭的整流罩上，除了鲜艳的五星红旗外，还印有欧洲航天局、法国航天局、阿根廷国家空间活动委员会以及奥地利研究促进署的标志，这是因为这些机构不同程度地参与了“天问一号”所执行的任务。

在“天问一号”发射升空后，欧空局通过位于法属圭亚那的地面站跟踪“天问一号”，在“天问一号”进入火星轨道的过程中，欧空局位于澳大利亚和西班牙的地面站为其提供精确的导航支持。法国为“天问一号”探测器搭载的激光诱导击穿光谱仪提供了校准和测试等方面的帮助。奥地利研究促进署帮助研发了“天问一号”的磁强计。

“天问一号”的两座国内深空测控站分别位于黑龙江佳木斯和新疆喀什，这种布局充分利用了我国5200多千米的东西纵深。但即便如此，在地球自转影响下，深空测控站每天总还是有一段时间无法测控“天问一号”，为了实现连续测控，中国与阿根廷国家空间活动委员会合作，在阿根廷修建了內乌肯深空测控站，实现了探测器的全天连续深空测控。

我们的“邻居”火星

火星作为地球的“邻居”，在许多方面都和地球十分接近。火星的质量为地球的1/9，平均温度-62℃，有非常稀薄的大气，其中95%为二氧化碳，是最有可能成为人类第二家园的行星。

火星地表布满氧化铁矿物，因此呈红色。由于火星和地球的相对位置周期性变化，火星在地球的亮度也时高时低，火星最亮的时候比地球夜空中第一亮星——天狼星还亮。因为这种周期性的亮度变化，中国古人将火星称为“荧惑”。

“天问一号”和“祝融号”名称的由来

据悉，我国未来的行星探测任务都将以“天问”命名，“天问一号”火星探测任务的顺利实施为该系列任务开了好头。《天问》是楚国诗人屈原创作的一首长诗，在其中屈原向天地起源发问，因此，我国深空探测任务的命名才选择了“天问”二字。祝融则是我国神话中的火神，也是我国原始社会末期最著名的部落领袖之一。选择祝融并非只因为火星中有个火字，更是对人类迈向星辰大海的美好祝愿，也体现了国际航天事业对国际合作、融合的促进作用。