朱秋雨

2020 年7 月23 日，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭搭載“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器在海南文昌發(fā)射。10 個(gè)月后，2021 年5 月15 日，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器軟著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，中國(guó)成為第二個(gè)成功著陸火星的國(guó)家。后續(xù)“祝融號(hào)”火星車將依次開(kāi)展對(duì)著陸點(diǎn)全局成像、自檢、駛離著陸平臺(tái)并開(kāi)展巡視探測(cè)。

回顧1960 年以來(lái)的火星探測(cè)史，人類先后開(kāi)展了40 多次探測(cè)，但成功率并不高——此前只有8 次任務(wù)成功著陸并開(kāi)展火星探測(cè)。此次在火星的順利登陸，意味著我國(guó)成為唯一一次性完成“繞落巡”的國(guó)家。

如今，這顆紅色星球附近已經(jīng)變得擁擠，有7架飛行軌道器在火星軌道附近繞行，包括美國(guó)航天局（NASA）的3 架，歐洲的2 架，以及印度的“曼加利亞號(hào)”、阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”。人類為何都將目標(biāo)朝向這顆紅色星球？登陸火星能給人類帶來(lái)什么好處？

清楚這些問(wèn)題，我們或許才會(huì)知曉：“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器的成功登陸，究竟對(duì)中國(guó)、對(duì)世界意味著什么。

一次就好

太陽(yáng)系的八大行星排列上，地球是離太陽(yáng)第三近的行星，火星則是第四個(gè)。但從地球跨越到火星，并非如科幻電影里表現(xiàn)的一樣——造精密的飛船即能任意飛抵。精密的距離和時(shí)間的控制，是現(xiàn)實(shí)世界飛抵火星中的一大考量因素。

2020 年7 月23 日出發(fā)的“天問(wèn)一號(hào)”，正是選在最適合飛往火星的“窗口期”。彼時(shí)，阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”和美國(guó)航天局的“毅力號(hào)”，都在發(fā)起相似計(jì)劃。一切的源頭是——火星和地球以不同的速度和距離繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，地球和火星最遠(yuǎn)距離大約4 億公里，最近的距離是5600 萬(wàn)公里。而每隔26 個(gè)月，會(huì)出現(xiàn)“火星沖日”的天文現(xiàn)象——火星、地球和太陽(yáng)所處的軌道位置將形成一條直線。此時(shí)飛去火星，最節(jié)約燃料。

2020 年10 月14 日正是這一天文現(xiàn)象起作用之時(shí)，以此推算最佳的發(fā)射時(shí)間大約為“火星沖日”之前兩個(gè)月?！疤靻?wèn)一號(hào)”在這時(shí)出發(fā)，被賦予了更重的使命——阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”僅進(jìn)入火星軌道環(huán)繞，探測(cè)火星大氣；美國(guó)NASA 在發(fā)射“毅力號(hào)”之前，有過(guò)4 次火星車登陸火星表面的成功經(jīng)驗(yàn)。而第一次執(zhí)行火星探測(cè)任務(wù)的“天問(wèn)一號(hào)”，即要一次性完成環(huán)繞火星軌道、登陸表面和巡視著陸地這三大步驟。

而在2021 年2 月10 日，“天問(wèn)一號(hào)”經(jīng)過(guò)200多天的飛行停泊進(jìn)入火星環(huán)繞軌道時(shí)，包括《紐約時(shí)報(bào)》等外媒發(fā)表社評(píng)稱，“與登陸火星相比，繞火星軌道飛行的挑戰(zhàn)根本不算什么?！?/p>

登陸火星的危險(xiǎn)之處，首先表現(xiàn)為抵達(dá)火星表面附近時(shí)，航天器需剎車減速，并以正確的角度切入火星大氣層——角度太陡會(huì)起火燃燒。過(guò)去，NASA 和歐洲的很多火星探測(cè)器都因此起火墜毀。

從穿越火星大氣層到著陸需大約7 分鐘，卻被國(guó)際航天界公認(rèn)為“死亡7 分鐘”。著陸器進(jìn)入火星大氣的時(shí)機(jī)、姿態(tài)和角度都需要精準(zhǔn)的控制。又因?yàn)榈厍騿纬虩o(wú)線電信號(hào)到達(dá)火星需要20 分鐘，地面人員亦無(wú)法實(shí)時(shí)指揮——一切都要靠關(guān)于航天器的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)任務(wù)總設(shè)計(jì)師張榮橋表示，這短短的7 分多鐘內(nèi)，“天問(wèn)一號(hào)”需要從每秒4.8公里的速度急剎車到零，同時(shí)忍受上千攝氏度的高溫，歷經(jīng)4 段不同方式的減速：

首先穿過(guò)火星大氣層，進(jìn)行氣動(dòng)減速，將速度降至460 米/ 秒；第二段，著陸巡視器打開(kāi)降落傘，用拉拽的方式將速度降至95 米/ 秒；接著是反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，速度減少到3.6 米/ 秒，將這個(gè)速度維持到最后；離地面100 米左右實(shí)現(xiàn)懸停避障，火星車即完成著陸。

偏偏是火星

在中國(guó)的“祝融號(hào)”發(fā)射成功以前，登陸過(guò)火星的只有美國(guó)、蘇聯(lián)。盡管后者在1971 年發(fā)射了火星3 號(hào)探測(cè)器，但僅在火星表面工作約20 秒即與地球失聯(lián)。

當(dāng)前，各國(guó)火星探測(cè)器主要有三種：繞火星軌道運(yùn)行，開(kāi)展遠(yuǎn)距離探測(cè)的探測(cè)器，比如，阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”；降落到火星表面，進(jìn)行原地探測(cè)的著陸器；能在火星上運(yùn)動(dòng)的火星車。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自1960 年以來(lái)，世界各國(guó)圍繞火星的發(fā)射任務(wù)共計(jì)51 次。進(jìn)入21 世紀(jì)，世界各國(guó)朝火星發(fā)射了17 個(gè)探測(cè)器。如今，還在圍繞著火星軌道繞行的探測(cè)器共計(jì)7 個(gè)，壽命最長(zhǎng)的是NASA 在2001 年發(fā)射的“火星奧德賽號(hào)”。在火星表面上，除了“祝融號(hào)”火星車外，美國(guó)于2012 年、2018 年、2021 年分別成功登陸的“好奇號(hào)”“洞察號(hào)”“毅力號(hào)”火星車也在火星上巡視。

人類為何一窩蜂地探測(cè)火星？

就這一點(diǎn)，科學(xué)家運(yùn)用的思路是“排除法”。以從太陽(yáng)系中尋找生命的維度，與太陽(yáng)距離的遠(yuǎn)近可由此得出“宜居帶”。從八大行星的位置判斷，位于“宜居帶”的是和太陽(yáng)距離適中的金星、地球和火星。

與地球大小、質(zhì)量、體積相似的金星成了最早人類探測(cè)外空、發(fā)現(xiàn)生命的第一選項(xiàng)。20 世紀(jì)50年代，美蘇兩大國(guó)掌握了航天技術(shù)后，同時(shí)將金星作為航天競(jìng)賽的首要目標(biāo)。但人們很快認(rèn)識(shí)到發(fā)射目標(biāo)的錯(cuò)誤。10 個(gè)在金星著陸的探測(cè)器，都來(lái)自蘇聯(lián)，但它們都“活不長(zhǎng)”。最“長(zhǎng)壽”的一個(gè)也在向地球傳輸了127 分鐘信息后“犧牲”?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這全因?yàn)榻鹦堑膼毫迎h(huán)境，地表溫度超過(guò)460 攝氏度，氣壓是地球的92 倍，還隨時(shí)會(huì)下硫酸雨?？茖W(xué)家由此下結(jié)論，金星的環(huán)境孕育出生命的可能性為零。

與此對(duì)比的是，火星雖然地表溫差大，平均氣溫為零下55 攝氏度，但一個(gè)最令人興奮的行動(dòng)支撐是，火星上可能有液態(tài)水的存在?？茖W(xué)家們普遍推測(cè)，火星歷史上有過(guò)活躍的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)與河流，但由于太陽(yáng)風(fēng)的吹拂以及小行星的撞擊等原因，后來(lái)逐漸都消失了。

2003 年歐洲航天局發(fā)射的“火星快車號(hào)”探測(cè)器，于2012 ～ 2015 年期間在火星南極冰蓋下進(jìn)行了29 次探測(cè)。2018 年，負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的意大利科學(xué)家在《科學(xué)》雜志刊登論文宣布，該雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了一片至少有數(shù)米深、直徑約20 公里的湖泊。一旦該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步得到確認(rèn)，該湖泊將成為人類在火星發(fā)現(xiàn)的首個(gè)液態(tài)湖，這“讓火星環(huán)境中微生物的存在成為可能”。只是，科學(xué)界對(duì)相關(guān)發(fā)現(xiàn)反對(duì)聲音猶存。他們指出，缺少足夠的熱源將上述湖泊的冰融化成水。而沒(méi)有水，生命的存在也就失去可能。

探索火星的本質(zhì)

赴外星尋找生命，這對(duì)于全人類而言都是興奮的命題?！白Ｈ谔?hào)”官方微博曾解釋其奔赴火星的原因——“我是來(lái)火星找答案的：火星上到底有什么？它由什么組成？”

第一個(gè)登陸火星的衛(wèi)星為美國(guó)“維京號(hào)”計(jì)劃的“海盜一號(hào)”，時(shí)間在1976 年。該著陸器運(yùn)行了驚人的2245 個(gè)火星日，直到1982 年11 月13 日才與地面失聯(lián)。而與“祝融號(hào)”性質(zhì)一樣、能在火星表面移動(dòng)的火星車，是美國(guó)最早于1997 年通過(guò)發(fā)射“火星探路者號(hào)”，成功讓名為“旅居者號(hào)”的火星車著陸。在千禧年以后，美國(guó)共計(jì)發(fā)送4 個(gè)火星車到達(dá)火星表面，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的“機(jī)遇號(hào)”——設(shè)計(jì)壽命最初為92 天，而其實(shí)際運(yùn)行了15 年，創(chuàng)造了地球以外星球的最長(zhǎng)徒步旅行紀(jì)錄。

有了多次登陸火星的經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)壟斷了對(duì)于火星著陸過(guò)程中涉及的諸多技術(shù)參數(shù)，而這些參數(shù)，尤其對(duì)于“死亡7 分鐘”期間——地面與探測(cè)器完全失去聯(lián)系時(shí)，尤為重要。

中國(guó)的火星探測(cè)任務(wù)在此背景下開(kāi)啟。國(guó)家航天局官網(wǎng)顯示，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)于2016 年正式批復(fù)立項(xiàng)，計(jì)劃通過(guò)一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視。

對(duì)于此刻的動(dòng)因，中國(guó)火星探測(cè)首席科學(xué)家萬(wàn)衛(wèi)星院士在2019 年的一篇文章中談道：“如果說(shuō)第一次熱潮的主題是探測(cè)競(jìng)賽，比的是誰(shuí)先跑得最快。

那么第二次熱潮的主題應(yīng)是科學(xué)競(jìng)賽，比的是誰(shuí)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>

這次，“祝融號(hào)”選擇巡視的烏托邦平原南部，過(guò)去美國(guó)的“海盜二號(hào)”也曾在此著陸，但著陸的方向偏北。該平原位于一個(gè)巨大的盆地中，位于古海洋與陸地的交界面，永久凍土層可能正好藏在該平原地表以下。有古代火神寓意的“祝融號(hào)”即將在這一寬闊的平原上度過(guò)90 個(gè)工作日。

這90 天，是中國(guó)航天人用過(guò)去5 年的日夜，以此點(diǎn)燃中國(guó)星際探測(cè)的火種。

（摘自“南風(fēng)窗”微信公眾號(hào)，知止圖）