Go to Mars | 列星安陈：中国“天问”

光阴荏苒，2020年夏季，又一个发射火星探测器的时间窗口到来了（这样的时机每26个月一次），美国的“毅力号”火星车和阿联酋的“希望号”火星探测器都在这个夏天升空，其中，“希望号”的发射任务由日本承担。而就在火星探索的“新手”阿联酋和“老手”美国之间，随着海南文昌发射场的一阵轰鸣，中国以一项极具特色的火星任务，吸引了全球航天界和行星科学界的关注，那就是集“绕、落、巡”三项使命于一身的“天问一号”。

图1 “天问一号”发射升空

“日月安属？列星安陈？”中国古代伟大的爱国诗人屈原在《天问》中的震撼之语，始终激荡着无数中国人的心灵。中国航天界，以及千千万万的太空爱好者，多年来一直抱持着走向太阳系深空进行科学考察的雄浑梦想。自从1960年首个火星探测器发射以来，火星探测已经有60年的历史，这些探测成果给中国提供了真实可靠的经验。而中国探月工程在过去十多年内连战连捷，更是给火星探测器的研制凝聚了人才、积累了经验、树立了信心。

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火星探测的三国演义

《三国演义》在中国脍炙人口，妇孺皆知。当时，魏蜀吴三个国家长年征战，合久必分，分久必合。2020年7月，是每逢26个月开启一次的火星探测器发射窗口，中国、美国、阿联酋上演了一出火星探测的三国演义。

2020年7月20日05时58分，阿联酋的希望号火星探测器在日本发射升空，计划2021年阿联酋成立50周年时进入火星轨道。该探测器原定于7月15日发射，因为天气不佳推迟。

“希望号”重1.5吨，是阿联酋乃至阿拉伯世界的第一个火星探测器，代表了阿拉伯世界探测深空的雄心。但阿联酋在火星探测方面缺少基础，美国科研机构承担了全部3个载荷的研制和探测器的总装，发射则由日本的H-2A火箭承担。阿联酋的科学家和工程师团队深度参与了研制工作，他们认为自己很好地担当了学徒的角色。

北京时间 7 月 30 日19:50，美国国家航空航天局（NASA）当下最先进的火星车——“毅力”号从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地 41 号发射台发射升空。

毅力号火星车将于2020年2月登陆在Jezero环形山内，一片由河流冲击形成的三角洲平原上，目的是寻找形成于 35 亿年前的古代微生物生命迹象。有了2013年登陆火星的好奇号火星车奠定的良好基础，毅力号将开展更大胆的探索，火星车上的核电源可以持续使用14年，仅仅相机就有23台，首次搭载了一架无人机，将在火星稀薄的大气层中起飞，有望大大提升火星车的作业效率。它将收集和存储可能包含外星生命最初证据的地质样品，计划在下一次火星任务中将它们带回地球。美国此前已经实施过20次火星探测任务方面，具有丰富的经验积累，完成了迄今为止所有的火星表面登陆任务。

2020年7月23日中午12:41，中国在海南文昌发射场用长征五号火箭成功发射了“天问一号”火星探测器，目前脱离地球引力，完成了第一次中途变轨。

令人欣慰的是，中国长征系列运载火箭在保持极高成功率的同时，运载能力的提高有目共睹。“长征五号”火箭在砥砺之后逐渐成熟，为嫦娥五号月球采样返回、火星探测、发射飞往太阳系其他行星的探测器提供了运力保障。“天问一号”这颗在中国深空探测史上注定要占据显要位置的探测器（确切说，是三件套的探测器），信心满满而又严谨细致地踏上了它的征途。

至此，在本次火星探测器发射窗口发射的三个火星任务均已成功实施，在新冠疫情仍在肆虐的当下，尤为可贵。

02

气吞山河的名字

2011年，搭载在俄罗斯“火卫一-土壤”探测器上的“萤火一号”，因俄方火箭故障而遗憾谢幕，让中国人更加坚定了独立自主研制火星探测器的想法。

其实，早在2007年，中国第一个月球探测器嫦娥一号发射成功之前，中国科学家和航天工程师就开始了自主火星探测任务的论证。当时的背景是，在嫦娥一号任务取得成功之后，嫦娥一号的备份星该飞向哪里？其中有两种不同的意见，一种认为，既然嫦娥一号已经完成了对全月球的遥感探测，备份星就不应该继续探测月球，而应该进行适当改造后，去探测其他天体，首选目标就是火星。另一种意见认为，备份星是为月球探测准备的，当然应该继续探测月球，为后续探月任务服务。

两种意见争论的结果当然已经明了，嫦娥一号的备份星，也就是后来的嫦娥二号，为它确立的探测目标仍然是月球，但飞行的轨道高度更低，获得的遥感图像分辨率高达7米。嫦娥二号任务为嫦娥三号登陆月球选定了着陆区，试验了着陆相关技术，飞抵地月引力平衡点，实现了近距离飞越4179号小行星。作为一颗备份星，嫦娥二号的成就可以说是相当出色的。

一个国家的航天能力谱系中如果只限于地球附近，而不包含深空探测，那么，这个国家就算不上真正意义上的航天强国。火星作为太阳系内环境与地球最为相似的行星，自然也是深空探测的焦点，是牵引航天技术跨越式发展的前沿领域。

2016年4月24日，在我国第一个“中国航天日”的新闻发布会上，国家航天局宣布了两条重要信息，一是我国火星探测任务已经批准立项，二是嫦娥四号将实现航天器第一次在月球背面着陆。

从2016年开始，火星探测器的研制紧锣密鼓地展开。而经过旷日持久的公开征集和讨论，“天问”这个气吞山河的名字终于在2020年4月脱颖而出。如果你觉得“天问”二字并没有突出这次的探测对象——火星的具体特点，那就是你还不够了解它背后更加值得期待的蓝图：

“天问”之名不只是用来命名火星探测器的，而是中国今后对太阳系各个行星进行探测的系列任务的总称。

楚骚古韵遐想列星安陈，华夏新声亲察七曜何貌。“天问一号”火星探测任务，是“中国行星探测”（PEC）这部史诗的亮丽开篇，是朝着建立中国深空探测工程技术体系发出的“第一问”。相比十年前的“萤火一号”，“天问一号”无论是在技术能力上，还是建立在经验积累基础上的信心，以及对长远战略的规划上，都完成了全面的升级。面对这个“大考”一般的问题，中国人选择了一个特别具有挑战性的作答方式。

03

一步跨过五十年

一口吃不成大胖子，罗马也不是一天建成的。如果你了解一下火星探测的发展历史，大概会对人类探测火星的艰难历程有比较深刻的印象。为了探测火星，科学家们“谨小慎微”，经历了小心翼翼的试探、失败、再试探、再失败的过程。

人们先是派探测器飞越火星，利用近距离“照面”的机会，给火星拍几张照片传回地球。然后，他们尝试让探测器环绕火星，当飞抵火星附近时，“踩下刹车”进行减速，成为轨道器。此后，他们尝试让探测器穿越火星大气层，降落在火星表面。再后来，他们不满足于待在原地不动的着陆器，才有了能在火星表面游走巡视的火星车。

在“天问一号”之前，美国、俄罗斯、欧洲都发射了各自的火星探测器。2013年，印度成为亚洲第一个发射火星探测器的国家。

作为一个崇尚创新的民族，“天问一号”绝不是亦步亦趋之物，它要开展一次前所未有的技术挑战，那就是在同一次任务中，利用轨道器、着陆器、火星车这“三件套”，直接完成“绕、落、巡”三项使命。考虑到“天问一号”是中国第一个自主研制的火星探测器，这种自我加压的任务设计，堪称难度极大的“三级跳”，令世人讶异。

“天问一号”发射成功（戴建峰摄影，郑永春供图）

你或许会担心，这样大的技术跨越难道不会显得有些莽撞吗？但我知道，以严细慎实著称的中国航天人不打无准备之仗，他们已经对这次任务的各个环节都做好了充分的准备。

“天问一号”虽然已经成功发射，但它的漫漫征途才刚刚开始——

之后，“天问一号”要经过长达4亿公里的飞行，从地球轨道转移到火星轨道。接近火星之后，以每秒4千米到5千米的高速，从距离火星表面400千米的地方掠过。其间，它有大约半小时的时间窗口用来刹车，让自己减速到可以被火星的引力俘获，成为火星的人造卫星。在这个环节，地球和火星之间的距离遥远，无线电信号以光速传播也要十多分钟后才能抵达，所以，“天问一号”无法指望实时接收来自地球的指令，它只能靠自带的设备主动判断自身的位置、速度和姿态，并给出正确的制动参数。用于减速的反推发动机在恰当的时刻被点燃，持续燃烧约15秒后及时熄灭，以实现“绕”的目标。

而要降落在火星表面，“天问一号”要和“前辈”们一样，穿越火星大气层，经历独自面对的“恐怖七分钟”。虽然，全世界除了美国之外，还没有其他国家成功登陆过火星。但是，中国在无大气层的月球着陆方面，已经有了嫦娥三号、嫦娥四号的宝贵经验。而且，“天问一号”的轨道器将为着陆器提供信号中继，助它一臂之力。着陆器以稳妥为先，综合采用了多种减速方式，先后利用火星的稀薄大气摩擦减速、降落伞风阻减速、反推火箭动力减速、弹性着陆腿缓冲，尽最大可能确保“落”的目标安全达成。

“天问一号”的着陆巡视组合体包括两个部分，即火星车及其着陆平台。火星车的名字目前还在征集中，但它的装备已然相当齐全。既有鉴定矿物成分用的多光谱相机，又有探测火星磁场的磁强计、搜寻地下冰层的测地雷达、收集气象参数的气象探测包等。它拥有4块太阳能电池板，桅杆上装有判别周围地形的全景相机，预计至少能在火星表面工作90天，最大行驶速度约每小时40米。诚然，它的各项技术指标与“毅力号”相比，还有一定的差距，但只要一切顺利，第一次探测火星就打包完成“绕、落、巡”的荣耀已经值得载入火星探测史册。

04

人类的火星

经过60年的探测，火星探测成果丰硕。火星探测的科学主题，从对火星的全球性调查，发展到登陆某个感兴趣的地区开展详细调查。又或者针对某个科学问题，开展深入调查。比如，凤凰号登陆北方大平原以探测水冰，洞察号专门监测地震，探测火星内部结构，马文号致力于解开火星大气消失之谜，等等。

通过这些任务，基本上可以明确，30多亿年前，火星曾经有过温暖湿润的气候，有过强大的磁场，有过浓密的大气层，曾经有过适宜生命发育的环境，而地球就是在那样的环境中产生了最原始的生命。类似的过程是否出现在火星上，是回答我们在宇宙中是否孤独这一问题的关键。

作为太阳系中与地球环境最相似的行星，围绕火星是否适宜人类大规模移民，需要解决哪些科学问题和技术瓶颈，将成为今后火星探测的重要方向。

美国探索技术公司等民营航天公司，瞄准火星移民这一远景目标，已经成功研发了重复利用的火箭和载人飞船。新的科学发现和技术突破，将使火星移民从不可能变成可能。

目前，“天问一号”还正在霍曼转移轨道上飞行。要克服的困难还有很多，风险也一直存在，但这些显然不可能成为东方巨龙止步的理由。远古流传的追问、俯仰万物的思绪，以及追寻全人类共同幸福与共享价值的渴望，都像不灭的火焰一样，鼓动着中国人探测行星的雄心。

中美两国在太空探测领域的合作自2011年中断以来并未恢复。在天问一号发射成功和毅力号火星车发射成功之后，中美两国航天局互致贺电，对对方的成功表示祝贺，并欢迎对方在火星探测方面的贡献，两国在火星探测方面释放的善意弥足珍贵。

火星是全人类的火星，也是人类未来的希望。人类从登陆月球到移民火星的过程，不仅耗资巨大，而且需要多元化的人才队伍和先进技术的集成化，尤其需要国际合作。

期待2035年，计划中的首次载人登陆火星任务，人类的合作精神能够得到充分体现！

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(20)30036-9

本文内容来自 Cell Press 合作期刊 The Innovation 第二期发表的 News & Buzz 文章“Mars Exploration in 2020” (投稿: 20200804；接收: 20200805；在线刊出:20200806；

DOI:https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100036)

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作者简介

郑永春：

中国科学院国家天文台研究员，主要从事行星科学与深空探测发展战略研究，对科学传播和中小学科学教育有浓厚兴趣。