天問之旅，近了

7月來臨，中國首次火星探測任務(wù)進(jìn)入發(fā)射窗口期。

在今年4月24日第五個“中國航天日”啟動儀式上，中國正式發(fā)布首次火星探測任務(wù)名稱。名稱源于屈原長詩《天問》的“天問一號”，承載著中華民族對真理追求的堅韌與執(zhí)著。

按照計劃，“天問一號”將在7月至8月?lián)駲C(jī)發(fā)射，一次性完成“繞、落、巡”三大任務(wù)。

了解地球演化歷史，預(yù)測地球未來變化趨勢，為人類開辟新的生存空間尋找潛在目標(biāo)

火星已成最熱目的地

隨著航天科技的發(fā)展，人類對于行星探索的興趣與嘗試與日俱增。其中，火星是全球最為熱門的行星“旅行地”。截至目前，全球已有40余次火星探測活動。

專家認(rèn)為，尋找地外生命和研究火星的形成演化過程是火星探測的兩大科學(xué)主題。中國發(fā)射火星探測器，既是為了研究火星、為人類尋找未來家園，也能夠反觀自身、探究地球的過去和將來。

中國科學(xué)院院士、航天科技集團(tuán)科技委主任包為民表示，火星是太陽系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類似的行星之一?；鹦翘綔y不僅有助于探究火星生命的存在和演化過程等問題，更可借此了解地球的演化歷史和預(yù)測地球未來變化趨勢，為人類開辟新的生存空間尋找潛在目標(biāo)。

如果任務(wù)成功，中國將成為世界上首次探索火星即完成軟著陸任務(wù)的國家

中國有信心彎道超車

根據(jù)計劃，中國首次火星探測任務(wù)將通過一次發(fā)射任務(wù)，實現(xiàn)對火星的“環(huán)繞、著陸、巡視”3個目標(biāo)。此外，任務(wù)還設(shè)定了五大科學(xué)目標(biāo)，主要涉及空間環(huán)境、形貌特征、表層結(jié)構(gòu)等研究。為此，火星探測器搭載了13種有效載荷，其中環(huán)繞器上7種、著陸器上6種，屆時將對民眾關(guān)注的科學(xué)問題開展探測。

包為民舉例說，火星車上攜帶了大氣環(huán)境測試儀，可以獲取火星溫度、風(fēng)力等信息，民眾可從中直觀了解火星和地球環(huán)境的異同。

探索火星，一次性完成“繞落巡”三步走的探測方案，在全球尚屬首次。如果“天問一號”任務(wù)獲得成功，中國將成為世界上首次探索火星即完成軟著陸任務(wù)的國家，并成為繼美國之后第二個完成火星漫游的國家。

火星探測器發(fā)射升空以后，將“趕路”7到8個月的時間

預(yù)計明年2月抵達(dá)火星

由于火星距離地球較遠(yuǎn)，因此探測火星需要選擇其與地球距離較近的時機(jī)。據(jù)專家介紹，這樣的機(jī)會每隔26個月才有一次，而今年7月至8月正值這一時間窗口。

發(fā)射時間確定后，長征五號遙四火箭將把火星探測器發(fā)射至地火轉(zhuǎn)移軌道，隨后在地面測控系統(tǒng)的支持下進(jìn)入環(huán)火橢圓軌道，運(yùn)行到選定的進(jìn)入窗口。隨后，探測器將進(jìn)行降軌控制，釋放著陸巡視器組合體。著陸巡視器組合體成功軟著陸后，火星車將與著陸平臺分離，開展區(qū)域巡視探測和相關(guān)的一些工程實踐活動。環(huán)繞器將為火星車提供中繼通信鏈路，并開展環(huán)繞科學(xué)探測。

這段看似簡單的旅程，實際上充滿著挑戰(zhàn)和兇險。相比登月所跨越的38萬公里，地球到火星幾千萬公里的距離，對飛行器的測控通信是一項巨大的考驗?；鹦翘綔y器發(fā)射升空以后，將“趕路”7到8個月的時間，預(yù)計在明年2月到達(dá)火星的引力勢場以內(nèi)，然后再經(jīng)過火星的捕獲，才能到達(dá)火星。

2030年前后，我國將實施火星采樣返回、木星系探測等任務(wù)

行星探測計劃將邁向縱深

為保障“天問一號”發(fā)射任務(wù)，長征五號遙四火箭也已做好充足準(zhǔn)備。今年1月，長征五號遙四火箭大推力氫氧發(fā)動機(jī)完成總裝出廠前的最后一項驗證，標(biāo)志著這臺發(fā)動機(jī)性能達(dá)到預(yù)定要求，轉(zhuǎn)入火箭總裝階段。而在6月14日，遠(yuǎn)望5號航天遠(yuǎn)洋測量船也已解纜起航，奔赴太平洋某海域執(zhí)行包括火星環(huán)繞著陸巡視探測器在內(nèi)的海上測控任務(wù)。

完成火星探測任務(wù)后，中國的行星探測計劃將邁向縱深。包為民說，2030年前后，我國將實施火星采樣返回、木星系探測等任務(wù)，目前正在開展關(guān)鍵技術(shù)研究。

據(jù)統(tǒng)計，全球目前已實施火星探測活動40多次，但成功率僅有40%?；鹦翘綔y工程難點(diǎn)眾多，中國火星探測任務(wù)首次提出一次發(fā)射實現(xiàn)環(huán)繞、著陸、巡視3個目標(biāo)，面臨的挑戰(zhàn)前所未有。

及時“剎車”，才能進(jìn)入火星軌道

在發(fā)射窗口期內(nèi)，太陽、地球和火星將成一條直線，其中地球與火星之間的距離最近時僅有約5500萬公里。探測器在經(jīng)過長途飛行后，如何成功被火星的引力場捕獲，是任務(wù)中的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

據(jù)專家介紹，“天問一號”升空后的漫長旅途中，科技人員會根據(jù)軌道的具體情況，不斷修正探測器的飛行方向。到達(dá)火星附近時要及時“剎車”，而一旦捕獲失敗，探測器將會與火星擦肩而過，“滑”向更遠(yuǎn)的深空。探測器被火星引力場捕獲后，就進(jìn)入火星的循環(huán)軌道，再經(jīng)過多次的調(diào)整，就可以進(jìn)行環(huán)繞探測了。

跨過“恐怖7分鐘”，實現(xiàn)軟著陸

到達(dá)環(huán)繞火星的軌道后，火星探測器將隨之降落在火星表面。盡管降落的過程僅有7分鐘，但這個被稱作“恐怖7分鐘”的降落過程卻是整個任務(wù)的關(guān)鍵點(diǎn)。在此前，世界上還沒有國家能夠在首次探索火星的過程中即完成軟著陸任務(wù)。

著陸為何難？包為民介紹說，著陸時，火星探測器要在7分鐘內(nèi)將時速從2萬千米降低到零，這需要融合氣動外形、降落傘、發(fā)動機(jī)、多級減速和著陸反沖等多項技術(shù)才能實施軟著陸，對軟件和硬件的要求極高。

據(jù)介紹，火星探測器在“奔火”的途中一直處于高速飛行狀態(tài)，在著陸之前，需要先將速度降下來。目前，在國際上主要有兩種減速方式。中國以探月工程中的技術(shù)經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，通過4個階段逐步減速，最終使探測器平穩(wěn)到達(dá)火星表面。

第一階段為氣動減速，通過“急剎車”的方式，將速度從每秒4.8公里降至每秒460米；第二階段開降落傘，把速度降到每秒95米；第三階段為動力減速，探測器的反推發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作，將速度減小到3.6米每秒；第四階段的最后100米為懸停避障階段，探測器將懸停在空中，對火星表面進(jìn)行觀察，為選定著陸點(diǎn)做最后準(zhǔn)備。

“可以看一下地面有沒有坑和大的石頭。如果有，我們就避開它。這樣就保證落地的安全性，不會翻車?！卑鼮槊裾f。

釋放火星車，“勞逸結(jié)合”干仨月

著陸器在火星表面軟著陸成功后將釋放火星車，在火星表面進(jìn)行巡視探測、火星地貌特征研究等多項任務(wù)。值得一提的是，火星車將配置探測雷達(dá)對火星地下一定深度進(jìn)行探測。

據(jù)專家介紹，火星車的設(shè)計壽命為90個火星日。由于火星上的一天比地球略長(火星自轉(zhuǎn)周期約為24小時37分鐘)，因此火星車將在火星上工作92個地球日。

不過，火星車并非“不休不眠”。為規(guī)避火星極端天氣的影響，中國火星車將設(shè)置自主休眠和自主喚醒功能。就像正在月球上忙碌的嫦娥四號和“玉兔二號”一樣，火星車的探測工作也講究“勞逸結(jié)合”。

包為民表示，由于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇髸r延，要求火星車必須具有很高的自主能力。同時，火星光照強(qiáng)度小，加上火星大氣對陽光的削減作用，火星車能源供給比月球車更為困難。這些因素都使得火星探測任務(wù)更具難度和復(fù)雜性。

延伸閱讀

三國火星探測器將“同臺競技”

2020年是火星探測活動的窗口期。今年7月到8月，中國、美國和阿聯(lián)酋三國的火星探測器將“同臺競技”。

美國“毅力”號火星車計劃于7月20日發(fā)射，此次探測任務(wù)將攜首架火星直升機(jī)“機(jī)智”號。美國航天局表示，“毅力”號將是該機(jī)構(gòu)造訪火星表面的第9個探測器，也是首個將從火星采集樣本并帶回地球的探測器?！耙懔Α碧枌⒉杉鹦菐r石和風(fēng)化層樣本。此外，“毅力”號還將攜一枚刻有地球和蛇杖圖案的鋁板一同前往火星，以此表達(dá)對全球抗擊新冠疫情的醫(yī)護(hù)人員的敬意。

阿聯(lián)酋“希望”號火星探測器計劃于7月15日從日本種子島太空中心發(fā)射?！跋Ｍ碧柺窃诿绹茖W(xué)家的幫助下開發(fā)的，此次飛往火星的主要任務(wù)將是探測火星的大氣。

此外，原定今年發(fā)射的由歐洲航天局與俄羅斯航天局合作的“火星太空生物學(xué)”(ExoMars)計劃探測器，因疫情影響宣布推遲到下個發(fā)射窗口，即2022年秋季發(fā)射。2016年，在該計劃下發(fā)射的火星試驗登陸器“斯基亞帕雷利”在降落火星表面時由于軟件計算錯誤，提早釋放了降落傘，導(dǎo)致登陸器墜毀。

在火星上建立文明需要多少人？

據(jù)美國《國家利益》雙月刊網(wǎng)站近日報道，一項新的研究聲稱，人類需要向火星派出至少110人，才能在那里建立一個能自我維持的文明。

這篇由法國波爾多國立理工學(xué)院的讓－馬克·薩洛蒂撰寫、發(fā)表在《科學(xué)報告》雜志上的論文在試圖通過建立數(shù)學(xué)模型解決這個看似簡單的問題方面。

薩洛蒂在論文中寫道：“為了在火星上生存，針對定居者的組織和工程問題設(shè)定了一些假設(shè)。對定居者的最低人數(shù)進(jìn)行了計算，其結(jié)果是110人?！?/p>

薩洛蒂承認(rèn)，這是一個“相對較少的人數(shù)”，但它將有助于確保物資供應(yīng)和資源不會很快耗盡。他設(shè)想這些人生活在一個充滿氧氣的穹頂結(jié)構(gòu)中，利用溫室種植植物，這些溫室是用帶有可提供“充分光亮”的反射器的玻璃建造的。

薩洛蒂認(rèn)為，為了獲得植物生長的“適宜土壤”，需要各種巖石、鹽、水以及“有機(jī)廢物和分解者(昆蟲和微生物)”的組合。他還表示：“水將被從結(jié)冰地帶抽取并利用天然過濾材料進(jìn)行循環(huán)利用。”

薩洛蒂指出，這些人在火星上的總體成功將很可能取決于一系列因素，包括他們相互合作的默契程度以及分享時間和資源的出色程度。