■文/張志會(huì)

火星探測(cè)是當(dāng)今航天技術(shù)的前沿和航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志之一，雖然技術(shù)難度大，但是鑒于火星探測(cè)在國(guó)防、科研和民用領(lǐng)域的巨大潛在價(jià)值，許多國(guó)家在實(shí)施月球探測(cè)后紛紛開(kāi)啟火星探測(cè)。

2020年7月23日，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射成功并順利入軌，目前正在執(zhí)行既定研究任務(wù)。我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)并非簡(jiǎn)單重復(fù)美國(guó)、俄羅斯、歐洲火星探測(cè)的老路，而是設(shè)置了很高的起點(diǎn)，大大提升了我國(guó)空間探測(cè)器的研制水平，推動(dòng)了我國(guó)行星探測(cè)和基礎(chǔ)科學(xué)研究的發(fā)展，使我國(guó)躋身國(guó)際空間探測(cè)領(lǐng)域先進(jìn)行列。

那么，人類為什么要去火星？中國(guó)的火星探測(cè)又是如何醞釀和逐步實(shí)施起來(lái)的呢？

30年前已開(kāi)展火星探測(cè)的必要性和可行性研究

中國(guó)月球探測(cè)工程首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)自遠(yuǎn)曾說(shuō)，中國(guó)開(kāi)展火星探測(cè)的可行性論證幾乎與探月工程同步。20世紀(jì)90年代，我國(guó)許多專家學(xué)者就對(duì)我國(guó)開(kāi)展月球探測(cè)的必要性和可行性進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的論證，并一致認(rèn)為：當(dāng)時(shí)中國(guó)完全可以利用現(xiàn)有設(shè)備和條件，大部分采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，開(kāi)展環(huán)月探測(cè)；在此基礎(chǔ)上，充分利用中國(guó)載人航天工程（921 工程）所發(fā)展的技術(shù)，進(jìn)一步開(kāi)展月球軟著陸探測(cè)工程；對(duì)于開(kāi)展火星探測(cè)，盡管我國(guó)目前還不完全具備能力（如測(cè)控、運(yùn)載等），但也應(yīng)該開(kāi)展一些預(yù)先研究和關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，在實(shí)施我國(guó)月球探測(cè)工程的過(guò)程中適時(shí)開(kāi)展火星探測(cè)，并積極開(kāi)展國(guó)際合作，使我國(guó)的火星探測(cè)融入國(guó)際主潮流。

1992年，國(guó)際空間年之際，中國(guó)空間專家就未來(lái)火星探測(cè)的組織機(jī)構(gòu)與法律問(wèn)題提出自己的建議。例如，中國(guó)專家建議由聯(lián)合國(guó)外層空間委員會(huì)作為最高層的組織機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一計(jì)劃、安排世界各國(guó)的火星探測(cè)活動(dòng)，在該委員會(huì)內(nèi)設(shè)立火星探測(cè)工作組，并提出在自愿的基礎(chǔ)上組建國(guó)際火星探測(cè)空間機(jī)構(gòu)。這些建議引起了國(guó)際同行的巨大興趣。

“863”計(jì)劃和“973”計(jì)劃支持下開(kāi)展火星探測(cè)預(yù)先研究

圍繞火星探測(cè)的預(yù)先研究，在國(guó)家“863”計(jì)劃和“973”計(jì)劃中關(guān)于“行星探測(cè)”方面的課題均得到部署和開(kāi)展?？臻g物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士劉振興早在20世紀(jì)90年代中期曾主持過(guò)我國(guó)“863”計(jì)劃中的一項(xiàng)軟課題——“我國(guó)開(kāi)展火星探測(cè)的必要性和可行性研究”。他基于當(dāng)時(shí)國(guó)外火星探測(cè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，提出了我國(guó)火星探測(cè)的目標(biāo)以及探測(cè)器粗略方案?？上н@個(gè)計(jì)劃并沒(méi)有被列入國(guó)家規(guī)劃，只是“研究研究而已”。但是，他的這一計(jì)劃在相當(dāng)程度上是日后我國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃的雛形，他也多次提倡中國(guó)應(yīng)盡早對(duì)火星探測(cè)計(jì)劃進(jìn)行預(yù)先研究，特別是一些關(guān)鍵技術(shù)，如火星衛(wèi)星軌道計(jì)算、運(yùn)載系統(tǒng)及大功率遠(yuǎn)距離通信設(shè)備。2003年，自然科學(xué)基金會(huì)已將“地球空間環(huán)境與火星空間環(huán)境比較研究”列為重要資助領(lǐng)域。歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士也曾提倡，地外天體探測(cè)的基礎(chǔ)性研究應(yīng)提前很多年著手。

為實(shí)施中國(guó)的火星探測(cè)計(jì)劃，“863”計(jì)劃在“十一五”期間設(shè)立了重大項(xiàng)目，開(kāi)展火星探測(cè)器總體技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)、大氣進(jìn)入技術(shù)等專項(xiàng)研究。“973”計(jì)劃于“十二五”期間支持了兩個(gè)深空探測(cè)領(lǐng)域的綜合交叉項(xiàng)目，重點(diǎn)開(kāi)展“火星精確著陸自主導(dǎo)航與制導(dǎo)控制、探測(cè)器巡航飛行高精度自主導(dǎo)航”等關(guān)鍵技術(shù)研究。

在“863”計(jì)劃和“973”計(jì)劃的支持下，我國(guó)科學(xué)家不僅調(diào)查了國(guó)外在火星等行星探測(cè)方面的進(jìn)展與科學(xué)成果，研究了我國(guó)初期火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)和探測(cè)器方案，而且使我國(guó)突破了火星表面復(fù)雜形貌時(shí)空表征與識(shí)別、多尺度信息優(yōu)化自主導(dǎo)航等前沿技術(shù)，研制了火星精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制綜合仿真系統(tǒng)，為火星探測(cè)工程立項(xiàng)提供了技術(shù)支撐，并首次提出了開(kāi)展火星探測(cè)的技術(shù)路線?！吨袊?guó)的航天》白皮書(shū)把“深空探測(cè)”作為空間科學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容列入其中。

嫦娥工程的多年積累為火星探測(cè)提供技術(shù)基礎(chǔ)

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)航天事業(yè)已經(jīng)較成體系。2007年10月24日，嫦娥一號(hào)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，并于2009年3月1日按照計(jì)劃撞擊月球表面預(yù)定地點(diǎn)。嫦娥一號(hào)任務(wù)的成功實(shí)施使我國(guó)掌握了深空探測(cè)的一系列關(guān)鍵技術(shù)。探月工程二期后，我國(guó)建立完善了地面站，解決了測(cè)控通信等難題。正是由于這些技術(shù)積累帶來(lái)的信心和底氣，我國(guó)在2009年公布的《中國(guó)2050年科技發(fā)展路線圖》中明確列出：在2020年前后，建立長(zhǎng)期有人逗留的近地軌道空間站，探測(cè)器可達(dá)火星。

2010年，趁著嫦娥二號(hào)月球探測(cè)器成功運(yùn)行的東風(fēng)，多位院士聯(lián)名向國(guó)家建議，開(kāi)展月球以遠(yuǎn)深空探測(cè)的綜合論證。國(guó)防科工局立即組織專家組開(kāi)展了發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施方案論證，對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行了三輪迭代和深化。但是，工程立項(xiàng)則要等到6年以后。

A Brief History

20世紀(jì)90年代

專家學(xué)者開(kāi)始論證中國(guó)月球與火星探測(cè)的必要性與可行性。

20世紀(jì)90年代中期

劉振興院士在“863”計(jì)劃支持下完成《我國(guó)開(kāi)展火星探測(cè)的必要性和可行性研究報(bào)告》。

1992年

中國(guó)空間專家就未來(lái)火星探測(cè)的組織機(jī)構(gòu)與法律問(wèn)題提出自己的建議。

2003年

自然科學(xué)基金會(huì)重點(diǎn)資助“地球空間環(huán)境與火星空間環(huán)境比較研究”。

2007年10月

嫦娥一號(hào)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。

2010年

嫦娥二號(hào)成功運(yùn)行，多位院士聯(lián)名建議，開(kāi)展月球以遠(yuǎn)深空探測(cè)的綜合論證。

曾嘗試搭乘俄羅斯火星探測(cè)順風(fēng)車而失敗

盡管嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)的成績(jī)令國(guó)人驕傲，但是中國(guó)科技界也深知，火星探測(cè)技術(shù)復(fù)雜，需要解決諸如4 億km 之遙的深空遠(yuǎn)距離測(cè)控通信問(wèn)題等諸多難題。于是，我國(guó)并沒(méi)有一開(kāi)始就決定完全自主探索，而是選擇認(rèn)真借鑒和學(xué)習(xí)美國(guó)與其他國(guó)家的火星探測(cè)活動(dòng)，并努力爭(zhēng)取搭一下火星探測(cè)先發(fā)國(guó)家的順風(fēng)車。當(dāng)時(shí)，我國(guó)想到的是借俄羅斯之力。

2007年3月26日，在中俄兩國(guó)元首的見(jiàn)證下，中國(guó)國(guó)家航天局局長(zhǎng)孫來(lái)燕與俄羅斯聯(lián)邦航天局局長(zhǎng)佩爾米諾夫共同簽署了《中國(guó)國(guó)家航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天局關(guān)于聯(lián)合探測(cè)火星- 火衛(wèi)一合作的協(xié)議》，確定雙方于2009年聯(lián)合對(duì)火星及其衛(wèi)星火衛(wèi)一進(jìn)行探測(cè)。從2007年6月開(kāi)始，以上海衛(wèi)星工程研究所為主的科研團(tuán)隊(duì)花了兩年多的時(shí)間完成了螢火一號(hào)的研制，上海的科研團(tuán)隊(duì)共攻克了探測(cè)器的5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

同樣作為兩國(guó)合作的一部分，2010年6月3日17時(shí)至2011年11月4日18 時(shí)，我國(guó)航天員教員王躍及俄羅斯等國(guó)家的5 名志愿者參與了俄羅斯歷時(shí)520 天的“火星-500”計(jì)劃。志愿者模擬了飛往火星、環(huán)繞火星、登陸火星和返回地球等全過(guò)程。通過(guò)該項(xiàng)目的試驗(yàn)，我國(guó)獲得了一些重要的火星探測(cè)試驗(yàn)資料。

比原計(jì)劃推遲了兩年，2011年11月9日，我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器螢火一號(hào)搭載在俄羅斯的福布斯-土壤火星探測(cè)器上，搭乘天頂號(hào)運(yùn)載火箭從拜科努爾航天中心發(fā)射升空。然而，福布斯-土壤火星探測(cè)器在發(fā)射升空后出現(xiàn)意外，在與運(yùn)載火箭分離后未能按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)變軌，螢火一號(hào)也不知所終。由于本次整個(gè)發(fā)射過(guò)程完全由俄羅斯控制實(shí)施，我國(guó)全程非常被動(dòng)。此次失敗給我國(guó)火星探測(cè)帶來(lái)了一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的損失，對(duì)中國(guó)獨(dú)立自主研制、發(fā)射火星探測(cè)器產(chǎn)生了反向激勵(lì)。

與俄羅斯合作的失敗經(jīng)歷使中國(guó)航天界更加意識(shí)到，我國(guó)月球和火星探測(cè)相關(guān)研究起步較晚，目前仍面臨不少困難和問(wèn)題，我們既要保持國(guó)際合作以充分利用深空探測(cè)資源，也要努力實(shí)現(xiàn)未來(lái)中國(guó)自主進(jìn)行火星探測(cè)。鑒于中國(guó)火星探測(cè)需要形成更具有前瞻性的、明確的科學(xué)目標(biāo)，并借鑒和總結(jié)國(guó)外的成果和經(jīng)驗(yàn)，2011年10月18—20日，由中國(guó)工程院、原國(guó)土資源部、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)航天科技集團(tuán)公司主辦的“月球與火星探測(cè)科技高層論壇”在北京舉行。來(lái)自美國(guó)、法國(guó)、印度、日本等國(guó)的專家以及我國(guó)參與月球和火星探測(cè)的首席科學(xué)家及主要負(fù)責(zé)人，分別就國(guó)際新一輪探月地學(xué)研究成果、火星探測(cè)成果、各國(guó)月球登陸點(diǎn)的選擇方案、科學(xué)目標(biāo)與相關(guān)探測(cè)技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行討論。

2011年10月

月球與火星探測(cè)科技高層論壇在北京舉行，美國(guó)、法國(guó)、印度、日本等國(guó)的專家分享火星探測(cè)成果、技術(shù)與選擇方案。

2011年11月

俄羅斯發(fā)射的福布斯-土壤火星探測(cè)器及其所搭載的中國(guó)螢火一號(hào)火星探測(cè)器在剛升空不久就出現(xiàn)意外。

2016年年初

中國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃正式立項(xiàng)實(shí)施。

2016年年底

探測(cè)器完成全部關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2020年7月

天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器成功發(fā)射升空和入軌。

2021年5月

天問(wèn)一號(hào)第一次通過(guò)環(huán)繞器傳回火星車遙測(cè)數(shù)據(jù)。

難度上開(kāi)創(chuàng)先例的火星探測(cè)技術(shù)方案和關(guān)鍵技術(shù)研究

2016年4月22日，首個(gè)“中國(guó)航天日”新聞發(fā)布會(huì)上，國(guó)家航天局透露火星探測(cè)任務(wù)已經(jīng)獲批立項(xiàng)，計(jì)劃于2020年擇機(jī)發(fā)射的首顆火星探測(cè)器將實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”一期工程目標(biāo)。

從以往人類火星探測(cè)的歷史看，環(huán)繞探測(cè)是著陸和巡視的先期工程，環(huán)繞探測(cè)和著陸巡視任務(wù)一次性實(shí)施的難度極大，我國(guó)首次任務(wù)以“繞、著、巡”為目標(biāo)，將開(kāi)世界火星探測(cè)史上的先例。除了探月工程所掌握的關(guān)鍵技術(shù)為火星探測(cè)任務(wù)奠定了基礎(chǔ)外，我國(guó)的大推力運(yùn)載火箭、超1 億km 測(cè)控等技術(shù)也取得了重大突破。以往深空探測(cè)的飛行軌道控制和遠(yuǎn)距離測(cè)控是我國(guó)的薄弱環(huán)節(jié)，但通過(guò)地面測(cè)控系統(tǒng)64 m 大口徑天線的建設(shè)，我國(guó)完善了深空測(cè)控網(wǎng)，為未來(lái)火星探測(cè)器的遠(yuǎn)程測(cè)量與控制奠定了基礎(chǔ)?？傮w上看，我國(guó)已經(jīng)具備了自主開(kāi)展到達(dá)距地球約4億km 遠(yuǎn)火星探測(cè)的前提條件。

歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士曾在2011年總結(jié)了火星探測(cè)的三大科學(xué)任務(wù)：一是探測(cè)現(xiàn)在火星生命活動(dòng)的信息，探尋火星過(guò)去是否存在過(guò)生命，為生命起源和探尋地外生命提供新的科學(xué)依據(jù)；二是探測(cè)與研究火星的演化以及與類地行星進(jìn)行比較，為太陽(yáng)系的起源與演化研究提供新的科學(xué)論據(jù)；三是探討在火星上創(chuàng)造適合人類生存的環(huán)境的可能性。首次火星探測(cè)任務(wù)的工程目標(biāo)則包括：一是突破火星制動(dòng)捕獲、進(jìn)入/下降/著陸、長(zhǎng)期自主管理、遠(yuǎn)距離測(cè)控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測(cè)和巡視探測(cè)，獲取火星探測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)跨越；二是建立獨(dú)立自主的深空探測(cè)工程體系，包括設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、飛行任務(wù)實(shí)施、科學(xué)研究、工程管理以及人才隊(duì)伍建設(shè)，推動(dòng)我國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

立項(xiàng)之后，我國(guó)組織科研單位開(kāi)展了緊鑼密鼓的關(guān)鍵技術(shù)研究，推動(dòng)深空探測(cè)工程實(shí)施。天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器由一架軌道飛行器和一輛火星車構(gòu)成。自立項(xiàng)以來(lái)，中國(guó)空間技術(shù)研究院在4年多時(shí)間里高效完成了火星探測(cè)器研制任務(wù)。我國(guó)也加快建設(shè)了大功率天線、火星探測(cè)地面站、微弱信號(hào)高性能接收系統(tǒng)以及深空測(cè)控網(wǎng)，更大推力的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭更是重要支撐。

2016年7月，火星探測(cè)器研制轉(zhuǎn)入初樣。2016年年底，探測(cè)器完成全部關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。

天問(wèn)一號(hào)任務(wù)不僅是我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)，也標(biāo)志著我國(guó)行星探測(cè)計(jì)劃的“問(wèn)天之旅”已經(jīng)走出了第一步，逐步形成整體概念，深空探測(cè)正挺進(jìn)更深遠(yuǎn)的宇宙。

天問(wèn)一號(hào)順利升空履行使命

2019年11月，國(guó)家航天局首次公開(kāi)了我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)。根據(jù)計(jì)劃，我國(guó)將在第二年擇機(jī)發(fā)射火星探測(cè)器，開(kāi)展火星全球性和綜合性探測(cè)。同年11月14日，國(guó)家航天局邀請(qǐng)部分外國(guó)駐華使館及國(guó)際組織人員赴河北觀摩中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸器懸停避障試驗(yàn)，并參觀相關(guān)試驗(yàn)設(shè)施。這是中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)及飛行控制團(tuán)隊(duì)首次公開(kāi)亮相，也是中國(guó)向國(guó)際航天界表達(dá)合作誠(chéng)意的信號(hào)與舉措。

2020年是火星探測(cè)任務(wù)發(fā)射大年，多個(gè)火星探測(cè)器發(fā)射升空，包括阿聯(lián)酋的希望號(hào)、中國(guó)的天問(wèn)一號(hào)和美國(guó)的火星2020。2020年3月10日，北京航天飛行控制中心圓滿完成我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)無(wú)線聯(lián)試，這也是任務(wù)中心與航天器正樣的唯一一次地面聯(lián)合演練。4月24日，第五個(gè)“中國(guó)航天日”，中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)系列”，首次執(zhí)行中國(guó)自主火星探測(cè)任務(wù)的火星探測(cè)器被命名為天問(wèn)一號(hào)。7月23日12 點(diǎn)41 分，載有天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器的長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭在海南文昌發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射升空，這標(biāo)志著我國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù)正式開(kāi)啟。

2021年4月24日，中國(guó)首輛火星車命名為祝融號(hào)。此前，美國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃借助好奇號(hào)火星車將一個(gè)配有高精度儀器的巨大實(shí)驗(yàn)室搬到火星，而中國(guó)的火星探測(cè)計(jì)劃更側(cè)重“火星軌道器＋火星車”協(xié)同工作。在太空中進(jìn)行漫長(zhǎng)旅程后，同年5月15日7 時(shí)18 分，科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)祝融號(hào)火星車發(fā)回的遙測(cè)信號(hào)確認(rèn)，天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得圓滿成功。同年5月17日，天問(wèn)一號(hào)第一次通過(guò)環(huán)繞器傳回火星車遙測(cè)數(shù)據(jù)。

天問(wèn)一號(hào)任務(wù)不僅是我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)，也標(biāo)志著我國(guó)行星探測(cè)計(jì)劃的“問(wèn)天之旅”已經(jīng)走出了第一步，逐步形成整體概念，深空探測(cè)正挺進(jìn)更深遠(yuǎn)的宇宙。未來(lái)，“天問(wèn)系列”探測(cè)任務(wù)還將繼續(xù)，我國(guó)計(jì)劃在2030年開(kāi)展第二次火星探測(cè)任務(wù)（采樣返回），也會(huì)繼續(xù)推動(dòng)小行星探測(cè)以及木星、土星等更遠(yuǎn)星球的探測(cè)工程。