「天问一号」探火星

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中国的火星探测器将首次飞向火星，它将如何「问天」，会面临哪些困难，探测哪些科学目标？

1976 年 7 月 20 日，美国「海盗 1 号」着陆器在火星表面成功着陆，并且成功向地球发回照片。

从太阳系第三行星地球去第四行星火星，航天器必须在两者的公转轨道之间沿一条椭圆形的「地火霍曼转移轨道」飞行 8 到 9 个月，然后在椭圆轨道的远日点进入火星的公转轨道且恰好「遇到」火星，从而被其引力俘获。这种「刚刚好」的发射时机每隔 26 个月才有一次，持续时间约一个月。这段时间里，火星与地球最为接近，在天文学上被称为「火星冲」，迄今为止几乎所有的火星探测器都在这个窗口期内发射。

2020 年 7 月中旬至 8 月中旬的火星探测窗口期很「热闹」。美国国家航天局的「毅力号」火星车和阿联酋的「希望号」轨道探测器都将去往火星，前者经两次推迟后，预计最早于 7 月 22 日发射。而按计划，中国的火星探测器「天问一号」，也将在此窗口期飞向火星。

「天问一号」分为环绕器与着陆巡视器两部分，预计搭乘长征五号遥四运载火箭从海南文昌航天发射场出发，开始漫长的「奔火」之旅，一次实现「环绕、着陆、巡视」三大目标。「一次发射实现绕、落、巡三个目标，这是其他国家火星探测任务从没有过的，面临的挑战也是前所未有的。」在 2020 年的全国两会上，全国政协委员、中国航天科技集团五院党委书记赵小津说。

这次「前所未有」的探测任务在发射升空后可以分为三步。第一步是入轨，探测器进入地火转移轨道后，在地面测控系统的支持下通过变轨修正，在近火点附近实施制动，被火星俘获，进入环绕火星轨道；第二步是分离，环绕火星的探测器择机实施轨道机动，调整到停泊轨道，完成着陆区预先探测和着陆点调整后，环绕器与着陆巡视器分离，前者进入中继通信轨道，环绕火星进行科学探测；第三步是着陆，分离之后的着陆巡视器将进入火星大气，通过气动外形、降落伞、反推发动机等多级减速和着陆缓冲，降落于火星表面，释放出火星车，开始巡视和科学探测。

如果一切顺利，上述步骤将在约 9 个月后完成。此后的服役年限里，「天问一号」的环绕器将和火星车联手，「天上地下」同时作业，探测火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气电离层、磁场等，试图寻找火星上的生命迹象。

为了这一趟 9 个多月的奔火历程，中国科学团队已准备了十几年。2007 年，探测火星的设想就已提出，此后中国的火星探测事业历经了「嫦娥系列」的奠基、「萤火一号」的折戟、长征五号的失败与成功……直到 2020 年才迎来一个准备充分的发射时机。下一步的计划，是在 2030 年前再次发射火星探测器，实现人类历史上尚未完成的火星采样返回。

探索红色星球

早在公元前 2000 年，古天文学家就发现了五个与恒星背景运动不同的天体。其中一个呈现出了红色的外观——后来人们知道那是因为其表面散布着丰富的氧化铁，古罗马人以战神马尔斯 (Mars) 命名了这颗体积约为地球七分之一的红色星球，也就是火星。

1877 年，意大利天文学家乔瓦尼·斯基亚帕雷利观察到火星表面一种线性的结构，他认为那可能是运河，由此引发了火星上可能存在智慧生命的猜测。火星探索最初的目标也始于此。尽管美国国家航空航天局 (NASA) 在 1975 年发射的「海盗一号」着陆器带回来的资料已经表明，无法证明火星上存在生命，但时至今日，人们仍然没有放弃在火星上寻找生命迹象，或生命曾经存在过的证据。NASA 即将发射的「毅力号」火星车的首要科学目标，就是在古火星环境中形成的岩石样本中寻找保存下来的生物信号迹象。

事实上，人类对地外生命的探索直到 1960 年苏联发射火星 1A 号 (火星 1960A) 才算真正拉开序幕，此后火星探测器的发展经历了飞掠探测器 (Fly-by Spacecraft)、轨道器 (Orbiter)、着陆器 (Lander) 和巡视器 (Rover) 四个阶段。继美国和苏联后，上世纪 90 年代日本、欧洲和印度也相继加入火星探测行动。

火星探测之路并非一帆风顺。1960 年，火星 1A 号的发射即以失败告终。四天以后，苏联的第二枚火星探测器 1B 升空，同样连地球轨道都没能到达。1962 年 10 月，当火星又一次运行到合适的位置时，苏联的第三枚火星探测器终于勉强到达了环地轨道。1962 年 11 月，苏联又向火星发射了「火星 1 号」，这枚探测器成功进入了前往火星的轨道，并计划于 1963 年 6 月到达火星。然而，在离约定时间还有 3 个月，当它飞到距地球 1.06 亿千米时，与地面永远失去了通信联系。

作为竞争对手的美国也屡遭失败。1964 年 11 月 5 日，NASA 发射的「水手 3 号」同样在发射阶段就夭折。但 23 天后发射的「水手 4 号」最终成为人类第一艘近距离探索火星的掠飞探测器，配备了望远镜的「水手 4 号」拍摄了 22 张火星的特写照片，这也是有史以来第一次从深空拍摄火星并发回地球的图像。据 NASA 披露的资料，水手 4 号还传送了火星大气层的测量结果，发现火星大气层比人们预期的要稀薄得多。此外，它也没有探测到磁场、辐射带或地表水，但「水手 4 号」辨认出了水可能曾经在火星表面流淌的多个地质证据。近半个世纪后，2012 年着陆的「好奇号」火星车发现了更关键的火星上曾经有水的证据，这座不到 1 吨重的火星探测器着陆后不久就翻过了一个古老的河床。

正因如此，许多科学家相信火星上曾经有生命存在，而且很可能还会出现生命。澳大利亚西澳大学国际射电天文研究中心博士刘博洋告诉财新记者，在火星上寻找水的意义有两方面：一方面如果可以找到火星上存在水的证据，那么假如长时间有水存在，就能够提示科学家火星可能有足够长的时间去孕育生命；另一方面，如果现在发现火星上有液态水存在，既代表了这颗行星上有水资源，又展现出更大的可能性——说不定在火星的什么地方，例如地下水湖等，或许会有生命存在的迹象。

1969 年，NASA 发射的「水手 6 号」和「水手 7 号」发现火星大气主要由二氧化碳组成，还将 201 张图片传回地球，覆盖了火星表面的 20%。NASA 资料显示，尽管这些图像并未显示出 19 世纪末天文学家观察到的任何一条「运河」，但在火星表面发现了微量水存在。

两年后的时间窗口里，苏联又发射了「火星 2 号」和「火星 3 号」两个探测器，各由一个轨道器和一个着陆器组成。其中「火星 2 号」的着陆器未能成功着陆，但其轨道器成功入轨；「火星 3 号」也进入轨道，而且成功让着陆器降落在火星表面，成为人类历史上第一个在火星表面着陆的探测器，不过它仅仅工作了不到 20 秒，还没来得及传回一张照片就永远和地球失去了联系。

1975 年或许是早期火星探测最辉煌的一年。NASA 当年发射的两枚「海盗号」火星探测器成为有史以来最成功的火星探测计划之一。「海盗 1 号」轨道器于 1976 年 6 月 19 日进入环绕火星轨道，着陆器于 1976 年 7 月 20 日在火星表面成功着陆，并且成功向地球发回照片；「海盗 2 号」的着陆器在火星表面正常工作了三年多时间，直到 1980 年 4 月 11 日电池故障导致通讯联系中断。「海盗号」火星探测计划总共向地球发回了数万张高清晰照片。但在「海盗号」火星探测计划之后的 20 年里，火星探测事业陷入低谷，这期间美苏仅有的三次发射也均以失败告终。

火星探测任务失败，多是由于着陆失败以及通信中断、信号错误等。欧洲空间局的 ExoMars 探测器在与火星地面碰撞之前 50 秒失踪，后被证实可能是由于高速撞击地面而爆炸。美国的 Mars Climate Orbiter 则因没有到达火星大气中 80—90 千米的目标高度，而降落到 50 千米的高空大气中，导致轨道器损坏。美国的 Mars Observer、Mars Global Surveyor、Mars Polar Lander 等和欧洲空间局的 Mars Express 则都在降落过程中因通信故障而结束任务。

进入本世纪后，经过长时间的技术沉淀和积累，NASA 发射的火星勘测轨道飞行器 (MRO)、人们所熟知的「勇气号」「机遇号」「凤凰号」及 2018 年的「洞察号」，和欧洲空间局于 2003 年和 2006 年分别发射的火星「快车号」和火星「奥德赛号」，有的已在火星上「光荣退役」，有的还在为人类深入探索这颗红色星球。

而此前 60 年的人类火星探测史上，中国只在 2011 年借「萤火一号」发射之机，低调而短暂地参与了一次任务最终失败的国际合作，直至 2020 年即将开启新的篇章。

如何问天？

2020 年 4 月 24 日，「中国首次火星探测任务」终于拥有了自己的名字「天问一号」。

「天问」源于屈原楚辞《天问》，其中一句「日月安属？列星安陈？」探索「列星」中的火星，要克服一连串科学难题：火星距地球约 5600 万—4 亿公里之间，最远时能达到地月距离的 1000 倍，无线电信号传输延时达到 23 分钟，对项目设计、系统控制、通信能力等都提出了挑战；火星接收到的太阳辐射弱，平均强度约 589 瓦/平米，只有地球的 43%，能为探测器提供的能源更少；火星表面仅有一层薄薄的大气，且时常刮起剧烈的沙暴和大风，火星车想要着陆和巡视困难重重……火星探测工程副总设计师兼地面应用系统总指挥李春来曾对媒体介绍，截至目前，人类一共执行过 45 次火星探测任务，其中 23 次失败，成功和部分成功的仅有 22 次，成功率不到 50%。

层层难题面前，「天问一号」如何问天？答案分解在它的各个组成系统中。2018 年，中国国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言曾在《深空探测学报》上发表了一篇题为《我国首次火星探测任务》的论文，其中介绍，中国首次火星探测任务由工程主体和探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用五大系统组成。

海南文昌发射场和长征五号运载火箭承载「天问一号」的发射任务。文昌航天发射场坐落在中国陆地纬度最低、距赤道最近的海南岛，能借助接近赤道的线速度及离心力提高火箭的有效载荷。此外，海南四面环海，火箭航区和残骸落区均在海上，使得射向范围覆盖 90 度到 175 度，直径达 5 米的长征五号火箭也可通过海运和公路抵达发射场，发挥高达 14 吨的地球同步转移轨道运载能力，将「天问一号」送入太空。

「天问一号」升空后，地面人员将依靠深空测控系统对航天器进行跟踪测量、监视控制和信息交换。据中国工程院院士、探月工程总设计师吴伟仁等人的论文《中国深空测控网现状与展望》，目前中国深空测控网包括西北部喀什地区 35m 深空站、东北部佳木斯地区 66m 深空站和位于南美洲阿根廷西部内乌肯省萨帕拉地区的 35m 深空站，采用国际标准的 S、X 和 Ka 三频段，覆盖率接近 90%，能支持各类月球和深空探测任务的多频段遥测、遥控、数据接收和跟踪测量，在功能与性能上与 NASA 和欧洲空间局的深空测控处于同一水平。

除了使用测控系统，还需地面应用系统来获取和使用数据。据火星探测任务工程地面应用系统总设计师刘建军等人的论文《中国首次火星探测任务地面应用系统》，地面应用系统主要负责有效载荷运行管理，数据接收、处理、管理和组织探测数据应用与研究，是连接数据获取和应用的重要桥梁。数据接收由三个地面站完成，分别位于北京密云、云南昆明和天津武清，其中密云站拥有一面 50 米天线和一面 40 米天线，昆明站拥有一面 40 米天线，武清站则有一面 70 米天线，是亚洲最大的单口径全可动天线，能实现「来自 4 亿公里距离之遥的微弱信号的数据接收」。

运载火箭提供动力，测控系统用于指挥，地面应用系统接受和应用数据，它们各司其职、缺一不可，但「天问一号」最核心、最引人关注的，还是探测器。

为了一次实现「绕、落、巡」三个目标，「天问一号」探测器同时包括了环绕器和着陆巡视器，总重量约 5 吨。它们会一同被送入地火转移轨道，在通信延迟、太阳风和空间辐射的影响之下，经过中途修正、近火点制动、被火星捕获、择机轨道机动、进入停泊轨道、预先探测着陆区、选择着陆点等一长串复杂的流程后分离。环绕器调整后会进入中继通信轨道，主要为火星车提供通信链路，运行约 90 个火星日后，再次调整轨道，进入遥感使命轨道，开展科学探测之余兼顾中继通信，「环绕」目标就此达成。

而与环绕器分道扬镳的着陆巡视器，马上将迎来的则是火星探测最为凶险的一段历程——被称为「恐怖七分钟」的火星着陆。「天问一号」探测任务总设计师、中国探月与航天工程中心总工程师张荣桥对央视介绍，这短短的 7 分多钟内，「天问一号」需要从每秒 4.8 万公里的速度「急刹车」到零，忍受上千摄氏度的高温，历经四段不同方式的减速：首先，会穿过火星薄薄的大气层，同时进行气动减速，用 290 秒左右将速度降至 460 米/秒；第二段，着陆巡视器将打开降落伞，用拉拽的方式将速度降至 95 米/秒，历时约 90 秒；第三段，反推发动机点火，约 80 秒内将速度减少到 3.6 米/秒；最后，离地面 100 米左右实现悬停避障，火星车离开承载平台，完成着陆目标，开始巡视任务。

不出意外，那已经是 2021 年 4 月下旬，这段约 9 个月的历程中，谁也不能保证任务百分百成功。国防科工局和国家天文台的相关人士均对财新记者表示，「天问一号」还要很久才能到达和着陆火星，在此之前希望媒体宣传报道时尽量「低调」。

漫长的准备

中国科学界为「天问一号」的发射已准备了十多年。张荣桥透露，探测火星的设想早在 2007 年发射第一颗月球卫星「嫦娥一号」时就曾提出，计划于 2011 年实施，但终因时间太短、准备不足等而作罢。「如果说那个时候要去，我们也仅仅能够实现环绕。」张荣桥说。

的确，2007 时中国的月球探测刚刚起步，测控网与地面应用系统尚未建成，从技术条件、基础设施到人才培养上都不满足火星探测的条件。2010 年 8 月，孙家栋、戚发轫、龙乐豪、徐匡迪等八名院士联名建议，希望尽早开展月球以外的深空探测工作，国防科工局因此组织专家组开展发展规划和实施方案论证。

这一阶段，中国选择了先搭俄罗斯火星探测的「顺风车」。2011 年 11 月 9 日，俄罗斯的「福布斯-土壤」火星探测器搭载中国的第一颗火星探测器「萤火一号」，乘坐俄罗斯「天顶-2SB」运载火箭，于哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场发射升空。没想到星箭刚刚分离就出现意外，俄罗斯方面发现「福布斯-土壤」探测器主发动机并未启动，导致两个探测器停留在近地轨道，并未按照计划变轨，被困在距地表 206—340 公里的太空中，地面指挥中心历经多次尝试仍以任务失败告终。由于整个发射过程都由俄罗斯控制，中国航天人几乎是眼睁睁看着「萤火一号」与火星失之交臂。

这次合作失败后，中国自主进行火星探测的声音占了主导。据央视报道，2013 年，专家组对火星探测提出了全新规划，并确定了火星探测「两步走」的方案，第一步就是要在 2020 年的发射窗口期实现「绕、落、巡」；第二步是在 2030 年前实现火星取样返回。

2016 年 1 月 11 日，火星探测任务批准立项，并于 4 月 22 日由时任国家航天局局长许达哲在新闻发布会上正式对外宣布：「要在『十三五』规划的末年即 2020 年左右，发射一颗火星探测卫星。」

敢于瞄准 2020 年这个时间窗口的信心，一部分来自于探月工程所奠定的基础。短短几年间，「嫦娥一号」「嫦娥二号」成功环绕月球，「嫦娥三号」实现软着陆，让火星探测有例可循的同时，也培养了大批中坚人才，比如火星探测任务总设计师张荣桥曾任中国探月与航天工程中心总工程师，火星探测器总设计师孙泽洲曾任「嫦娥四号」探测器总设计师，火星探测器副总设计师贾阳曾任「玉兔号」月球车总设计师。

「嫦娥工程」的另一个贡献是基础设施的建设。吴伟仁曾以第一作者身份撰文指出，中国深空测控系统是随着探月工程「绕、落、回」 三步走的战略步伐逐步建设和发展起来的。举例来说，为了使「嫦娥四号」着陆月背，中国远赴阿根廷内乌肯省萨帕拉地区建立了第三个深空测控站，2017 年建成后首先为「鹊桥」中继星提供了 S 频段测控支持，并为「嫦娥四号」探测器全程提供了 X 频段测控通信支持，全面检验了深空测控网全网协同工作和稳定可靠运行、多频段与多目标联合测控等能力。

不仅「嫦娥工程」最终成为「天问一号」的臂助，「嫦娥四号」投放的月球车还为火星探测「让路」。2020 年 6 月 2 日，国家航天局宣布，在第十八月昼期间，「玉兔二号」月球车搭载的科学载荷并未开机，原地待命，为「天问一号」让路，以配合火星探测任务地面深空测控站的适应性改造。

与其他航天项目一样，「天问一号」并非从始至终一帆风顺，其中一次考验是长征五号运载火箭发射失败。2017 年 7 月 2 日晚，备受期待的长征五号遥二火箭在海南文昌发射，升空仅几分钟后，火箭推力中止坠入大气层，发射任务失败。作为当时中国质量最大、运载能力最强的火箭，长征五号原本要承担火星探测、探月三期工程以及「天宫」空间站建设等一系列重大任务，结果都因此蒙上了厚重的阴影。

中国运载火箭技术研究院原党委书记兼副院长梁小虹曾在一次演讲中说：「长征五号本应承担我们未来极其重要的任务，也被寄予了特别多的期待，但很可惜，出师未捷身先死。并且由于它出的问题，还给后续诸多工作带来了巨大的被动和不利影响。」

此后，虽然火星探测任务仍在按计划进行，但承担发射任务的火箭能否赶上 2020 年发射窗口，很多人还是心存疑虑。直到 2019 年 12 月 17 日，长征五号遥三运载火箭在海南文昌发射成功，中国运载火箭技术研究院院长王小军当时表示，执行后续火星探测任务的长五火箭进展顺利，正在按计划开展各项生产、装配和测试工作。

而就此前的 2019 年 11 月 14 日，「天问一号」任务首次公开亮相。据央视报道，在河北怀来，研究团队搭建了亚洲最大的地外天体着陆综合试验场，用 6 组 140 米高的钢结构塔柱连接成一个柱形钢体，形成直径 120 米大小的内圈，地面和重力加速度都模拟火星环境，从而验证着陆器在火星悬停避障缓速下降的过程。试验的结果是着陆器悬停避障圆满完成，这几乎是「天问一号」奔火之旅的最后一步，十几年的漫长等待后，中国终于做好了去火星的准备。

五大科学目标

据李春来等人论文《中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置》，「天问一号」一共有 13 台科学载荷，其中环绕器 7 台，分别是中分辨率相机、高分辨率相机、环绕器次表层探测雷达、火星矿物光谱分析仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪；火星车 6 台，包括火星表面成分探测仪、多光谱相机、地形相机、火星车次表层探测雷达、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪。

这些科学载荷将用于实现中国探测火星任务的五大科学目标：研究火星形貌与地质构造特征、研究火星表面土壤特征与水冰分布、研究火星表面物质组成、研究火星大气电离层及表面气候与环境特征、研究火星物理场与内部结构。

「火星实际上还是一个变化的星球，它有很强烈的沙尘，通过对这种变化的研究，我们可以知道火星的地质作用，它表面的环境的变化。」李春来接受央视采访时曾对五个目标进行了简单概括，他认为首先要搞清火星地理环境的变化。

实际上，经过 60 年的火星探测，人类对火星的地理环境已有所了解。就火星形貌与地质构造特征而言，科学家们认为，火星可能有一个由铁、镍和硫组成的固体核心，该核心的直径在 3000—4000 公里；火星地幔宽约 5400—7200 公里，其物质组成主要有硅、氧、铁和镁，与地球地幔组成相类似；火星的地壳厚度约 50 公里，可能主要由火山岩、玄武岩构成，这与地球和月球的地壳也很类似。火星的南北半球地质结构也存在差异：北半球的海拔大部分低于南半球，这表明北半球的地壳可能比南半球薄；南半球的大部分表面都非常古老，因此有许多陨石坑；而北半球的火山更年轻，因此陨石坑更少。一些火山的周围也有火山口，表明这些火山最近曾有喷发，由此产生的熔岩覆盖了此前旧的火山口。

根据现有的科学研究，《国家地理杂志》总结，火星可能拥有太阳系中最高的山峰和最深最长的峡谷。其中，奥林匹斯山大约 2.7 万米高，约是珠穆朗玛峰的 3 倍，值得注意的是，奥林匹斯山也是目前发现太阳系中最大的火山之一，直径约 600 公里。而以 1971 年发现它的「水手 9 号」探测器命名的马里纳尔斯山谷谷系深达 1 万米，东西长约 4 万米。科学家们认为，这一山谷主要是由地壳伸展时的裂谷作用形成的。

类似马里纳尔斯山谷这样的山谷和沟壑在火星上随处可见，这表明可能曾有水流过火星表面，且水可能仍然存在于地下岩石的裂缝和孔隙中。此外，火星上许多地方是平坦低洼的平原，北部平原最低处是太阳系中最平坦的地方之一，科学家们推断也可能是由曾经流过火星表面的水造成的。

这里的「水」特指液态水，固态形式的冰其实在以小行星带为分界的内太阳系中并不稀有。东京大学行星科学博士、澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室博士后研究员徐璐媛表示，火星的南北极就常年有大量的水冰暴露在表面上。火星的自传轴倾角和地球差不多 (接近 25 度)，所以和地球一样，火星也有鲜明的四季变化，也有终年冰封的南北极，只不过火星的南北极冰盖不仅有水冰，还有干冰 (固态二氧化碳)。水冰分布与火星的宜居性息息相关，也是「天问一号」探测的核心目标之一。

2002 年《科学》杂志上的一篇研究显示，2001 年发射的「火星奥德赛」号轨道器搭载的伽马射线光谱仪首次在火星上探测到了氢的存在，间接证实了火星地下含有水冰，而 2008 年发射的「凤凰号」着陆器则直接挖到了水冰，并且既挖到了高纯度的水冰，也挖到了渗透在土壤中的纯度不高的水冰。

此外，「天问一号」也将进行许多地球上的常规探测项目，比如矿物成分、磁场等。火星磁场是主要观测的火星物理场之一，目前火星还没有被探测到拥有全球磁场，但它的地壳中有一些区域的磁场强度至少是地球上任何测量值的 10 倍，表明这些区域属于古代全球磁场的残余。

上述专业的科学目标之外，「天问一号」的火星车还携带了火星气象测量仪，它拥有一个颇为浪漫的任务——听听火星上的风声。火星上有一层稀薄的大气，以二氧化碳为主，大气压小于 1%，尘暴肆虐，但理论上声音仍然可以传播。李春来表示，火星探测也需要有一些老百姓听得懂的东西，「我们想听听火星表面会不会有声音？在低气压下，这声音是什么样子？是什么样的频率？」

实际上，近几十年来每次探测火星的任务大方向变化不大，诸如探索火星表面物质组成和大气电离层，及表面气候与环境特征等问题，不仅是中国火星探测任务的目标，也仍然在 NASA 毅力号火星探测任务的科学目标列表上。在可预见的未来找到地外生命恐怕希望仍然渺茫，但如果茫茫宇宙中有任何一颗星球能给人类提供一些线索，火星必然是那第一把钥匙。

「火星探测不是说完全一张白纸等着去填，而是一张没有被画满的纸。」刘博洋表示，「火星那么大，到现在为止人类一共着陆过的就只有几个探测器而已，『天问一号』落上去了，肯定会有自己的新发现。」

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