「圜則九重，孰營度之？」2020年7月23日12時41分，我國在海南島東北海岸中國文昌航天發射場，用長徵五號遙四運載火箭將我國首次火星探測任務「天問一號」探測器發射升空，飛行2000多秒後，成功將探測器送入預定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國自主開展行星探測的第一步。
探測器將在地火轉移軌道飛行約7個月後，到達火星附近，通過「剎車」完成火星捕獲，進入環火軌道，並擇機開展著陸、巡視等任務，進行火星科學探測。
對宇宙千百年來的探索與追問，是中華民族矢志不渝的航天夢想。從古代詩人屈原發出的《天問》，到如今我國首次火星探測任務被命名為「天問一號」，太空探索無止境，偉大夢想不止步。
首次火星探測任務新聞發言人、國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤傑表示，此次火星探測任務的工程目標是實現火星環繞探測和巡視探測，獲取火星探測科學數據，實現我國在深空探測領域的技術跨越；同時建立獨立自主的深空探測工程體系，推動我國深空探測活動可持續發展。
「此次火星探測任務的科學目標，主要是實現對火星形貌與地質構造特徵、火星表面土壤特徵與水冰分布、火星表面物質組成、火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵、火星物理場與內部結構等的研究。」劉彤傑說。
「天問」問天 要幹這些事
世界首次一步實現火星探測「繞、著、巡」，最遠距離達4億公裡如何實現超遠距離深空通信？火星探測器發射後將經歷怎樣的歷程到達火星？
世界首次：
一步實現「繞、著、巡」
目前，人類已對火星實施了44次探測任務，其中成功了24次，火星是目前人類認識最深入的行星之一。
我國首次火星探測任務憑藉火星環繞器和著陸巡視器的超強陣容，可一步實現火星「環繞、著陸、巡視」三個目標，這是其他國家在首次實施火星探測任務時從未實現過的。
由於火星相對地球距離較為遙遠，對發射、軌道、控制、通信和電源等技術領域都提出了很高的要求。中國航天科技集團八院「天問一號」探測器系統副總師兼環繞器總設計師王獻忠介紹，研製團隊不僅攻克了火星制動捕獲、長期自主管理等關鍵技術難點，更實現了地火間的超遠距離測控通信，並將通過環繞探測實現火星全球性、綜合性探測，完成火星表面重點地區高精度、高解析度精細詳查。
臨門一腳：
制動捕獲「踩剎車」
火星捕獲是火星探測任務中技術風險最高、最為重要的環節之一，在火星探測器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲的機會只有一次。利用火箭助推，探測器獲得了擺脫地球引力的能量，使用精心設計的轉移軌道，探測器能夠最終順利抵達火星附近。
然而，受限於攜帶的推進劑有限，環繞器在抵達火星後，必須把握住唯一的機會對火星進行制動捕獲。此次火星探測任務捕獲時探測器距離火星僅400公裡,而此時探測器相對火星的速度高達4到5公裡每秒，一不留神就會撞擊火星或飛離，捕獲的成功與否成為火星探測任務成敗的關鍵。
在這一制動捕獲過程中，火星環繞器面臨諸多挑戰。由於捕獲時探測器距離地球1.93億公裡，單向通信時延達到10.7分鐘，地面無法對這一制動過程進行實時監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略。
首次火星探測任務新聞發言人、國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤傑介紹，捕獲過程中，火星環繞器需要準確地進行點火制動，如果制動點火時間過長，探測器速度下降過多，探測器就會一頭撞上火星，如果制動點火時間過短，探測器速度過快，就會飛離火星從而無法進入環繞軌道，這對環繞器的自主導航與控制提出了極高要求。
4億公裡：
超遠距離深空通信
環火飛行階段，由於地球和火星的運行規律，探測器距離地球最遠達到4億公裡。為了解決超遠距離通信問題，火星環繞器裝備了測控數傳一體化系統，實現了系統重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標。為補償空間衰減，火星環繞器配置了大功率行波管放大器以及大口徑可驅動的定向天線，大幅度提高探測器到地球通信能力。
自主管理：
需要會思考的「大腦」
通常情況下，環繞地球運行的衛星都是由地面控制中心根據衛星的實時狀態和任務要求進行控制的。但火星環繞器由於探測器到地球的距離遠，通信延時大，無法完全依靠地面指令對星上出現的突發狀況進行實時處理。此外，環繞器與地面站通信有其空間的特殊性，導致通信中斷（「日凌」）的時間最長可達30天，期間需依靠自身完成長期任務管理，並在出「日凌」後及時調整天線指向，迅速重新與地面建立聯繫。
多樣載荷：
給火星拍個「中式定妝照」
此次火星環繞器上共搭載7種有效載荷，可對地火轉移空間、火星軌道空間、火星表面及其次表層開展科學探測，獲取行星際射電頻譜數據、火星表面圖像、火星地質構造和地形地貌、火星表層結構和地下水冰分布、火星礦物組成與分布、火星空間磁場環境、近火星空間環境和地火轉移軌道能量粒子特徵及其變化規律。其中中解析度相機可對火星全球開展地形地貌普查，高解析度相機可對火星重點地區開展局部高解析度地形地貌詳查，將為火星拍下來自中國的「定妝照」。
任務有五段
此次火星環繞器所涉及的任務有五段：地火轉移、火星捕獲、離軌著陸、中繼通信、科學探測。
地火轉移
環繞器需要進行4-5次中途修正和一次深空機動修正飛行路徑，走過超過4億公裡的路徑，才能逐漸飛近火星。
火星捕獲
發射約200天後，探測器將被火星引力捕獲，此時距離地球近1.93億公裡，通訊時延約11分鐘，只能通過自主管理制動點火進入火星捕獲軌道。
離軌著陸
進入捕獲軌道後，環繞器將調整至停泊軌道，完成著陸巡視器預選落區的探測。確認著陸條件滿足要求後，將擇機降軌釋放著陸器。
中繼通信
成功釋放著陸巡視器後,環繞器作為通信器,為著陸器建立與地球之間中繼通信鏈路。
科學探測
著陸器著陸後，火星環繞器將再次進入科學探測軌道，並利用有效載荷，對火星軌道空間、火星表面開展科學探測。
2020年7月23日12時41分，我國在海南島東北海岸中國文昌航天發射場，用長徵五號遙四運載火箭將我國首次火星探測任務「天問一號」探測器發射升空，飛行2000多秒後，成功將探測器送入預定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國自主開展行星探測的第一步。
「探火」為何非得「胖五」
人類「探火」步步驚心卻鍥而不捨
「天問一號」將承載我國第一個火星探測任務，一次性實現對火星「環繞、著陸、巡視」三大目標。
火星的形貌與地質構造如何？哪裡有水冰分布？大氣環境與表面氣候怎樣？內部結構、物質組成如何？……這些都是我國首次火星探測即將研究的重點科學問題。
疑問
為什麼不去金星去火星？
為什麼要去探測火星？答案可能有點讓人意外：因為火星比金星條件優越。
太陽系有八大行星，從內到外分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。如果要在八大行星尋找生命，單憑位置，就可以判斷個八九不離十：水星離太陽太近，一切都被烤焦了；木星以及更外圈的離太陽太遠，一切都被凍僵了。最有可能的，就是離太陽距離適中的金星、地球、火星，這三個處於太陽系的「宜居帶」上。金星和火星相比如何呢？
看一下基本指標：金星的質量是地球的82%，體積是地球的87%，重力是地球的90%，各方面跟地球十分接近。而火星跟地球的差別很大，其質量是地球的11%，體積是地球的15%，重力是地球的38%。
僅從這些指標看，金星似乎更加適合。因此，人類在上世紀50年代掌握了航天技術後，首先就將金星作為了探測目標。然而，人類探測金星的熱情，很快就消退了。歷史上總共有10個探測器在金星著陸，都來自蘇聯。但其中工作時間最長的只有127分鐘（金星13號），最短的只有23分鐘（金星7號）。為什麼這麼短命呢？因為金星的生存條件實在是太惡劣了。
金星有一個極其濃密的大氣，它的壓強高達地球的92倍，相當於一個人背著一輛50噸重的坦克。更糟糕的是，這麼濃密的大氣中絕大部分是二氧化碳，超過96%。這導致了非常強的溫室效應，金星表面的平均溫度超過460攝氏度，比離太陽最近的水星的向陽面還熱。
火星最有吸引力的一點，是上面有水。這讓火星上存在生命的希望大增。
「天問一號」火星環繞器設計圖。
揭秘
從地球到火星怎麼走？
首先來看距離。地球和火星都在圍繞太陽公轉，地球跑第三道，火星跑第四道。地火距離最近是當太陽、地球、火星三者排成一線的時候，這叫做「火星衝日」，距離最小值在0.6億公裡左右。地火距離最遠是當地球和火星分居太陽兩邊排成一線的時候，最大值在4億公裡左右。
火星衝日是一個周期性的現象，大約每780天發生一次。由此決定了，每過780天即大約26個月，就會出現一個火星探測的窗口期。在2020年的窗口期中，終於出現了中國的火星探測項目：天問一號。
下一個問題是：應該怎麼去？直接飛向火星嗎？
要受到引力的作用，不可能走直線。在太陽系裡，最大的引力源就是太陽。除了在每個行星附近之外，在絕大部分空間起主導作用的都是太陽的引力。因此，飛船從地球到火星的旅程，絕大部分是在太陽控制下的。如果我們在途中不開動力，那麼根據克卜勒第一定律，飛船的軌跡就是一個以太陽為焦點的橢圓。
基於這些考慮，答案就呼之欲出了。我們走的是這樣一條軌道：它在離開地球的時候與地球繞太陽的軌道外切，這是近日點；在接近火星的時候與火星繞太陽的軌道內切，這是遠日點。在中間路程，它是一個以太陽為焦點的橢圓的一部分。整個行程中，發動機只需要點火兩次，就是在起點和終點。這樣耗費的燃料最少，而且操作最為穩妥高效。這樣的軌道，叫做「霍曼轉移軌道」。它是在1925年，由德國物理學家沃爾特·霍曼提出的。
不過，化學火箭的能力已接近上限。因此，再怎麼投入也很難讓從地球到火星的時間少於6個月。但是新的推進技術正在發展中，例如離子電推進和核能推進。如果這些技術成熟，地球到火星的行程有望大大縮短。
熱點
「探火」為何是長徵五號？
此次任務為長徵五號系列運載火箭首次應用性發射。作為目前我國現役運載能力最強的火箭，長徵五號被親切稱為「胖五」。那麼，為什麼說「探火」任務非「胖五」莫屬？
長徵五號運載火箭外形巨大，總長約57米，箭體直徑達到5米，而此前我國現役火箭箭體直徑最大的只有3.35米，由於其顯著粗壯的外形，被親切成為「胖五」。
航天科普專家錢航告訴記者，一次發射完成多種探測的好處是可以「少花錢，多辦事」，但技術複雜，風險很大，所以一般很少採用。目前，只有美國成功實現過一次發射完成環繞探測和著陸探測。
「我國即將實施的首次火星探測任務，計劃通過一次發射完成火星環繞、著陸和巡視三項任務，起點很高，同時也具有很大挑戰性。」錢航介紹，發射深空探測器，需要運載火箭提供足夠的發射能量，使探測器獲得足夠大的初始速度。在分離速度確定的條件下，重量越大的探測器，所需要的發射能量也越大。在長徵五號火箭出現之前，當時運載能力最強的長徵三號乙運載火箭，大約可以將兩噸左右的探測器送入地火轉移軌道，而長徵五號運載火箭的地火轉移軌道發射能力，超過了5噸。所以說「探火」任務，只有「胖五」能夠勝任。
延伸
中國「探火」處於什麼水平？
此前，大部分成功的火星項目都來自美國。當年的蘇聯和後來的俄羅斯都嘗試過不少次，但大都以失敗告終。
2011年，中國的火星探測器「螢火一號」參與俄羅斯的「福波斯-土壤號」探測計劃，搭乘俄羅斯的火箭升空。但由於來自宇宙的高能粒子突然增加，探測器晶片失效，無法變軌，最終在大氣中焚毀。
中國在火星探測領域是一個後來者，但起點卻相當高。「天問一號」將一次執行「繞落巡」三項任務，其載荷包括三部分：環繞器（也稱軌道器），它可以環繞火星觀測和跟地球中繼通信；著陸器，用來登陸火星；以及巡遊器，也就是火星車。
其他國家的第一次火星任務，多是只有環繞，或者連繞帶落，或者連環繞都沒有，只是飛掠，從來沒有一上來就做全套的。
「繞落巡」三步中最困難的是「落」。目前只有美國成功實現過「落」，以及隨後的「巡」。中國選擇如此激進的路線，說明對自身的技術相當有信心。此外，還有一個原因，那就是只有大踏步地前進，才能取得更有價值的科學成果。
中國火星探測首席科學家萬衛星院士，2020年5月20日因癌症去世，享年僅62歲。他在2019年的一篇文章中談到：「如果說第一次熱潮的主題是探測競賽，比的是誰先跑得最快，那麼第二次熱潮的主題應是科學競賽，比的是誰先看得最深。」
2020年7月13日的《自然·天文學》，刊登了萬衛星的訃告以及他介紹天問一號的文章：「『天問一號』將在第一次嘗試中就進行環繞、著陸和釋放巡視器，並與軌道器協調觀測。從來沒有任何行星任務是以這種方式開展的。如果成功，將標誌著一次重大的技術突破。從科學上講，『天問一號』是對火星形態、地質學、礦物學、空間環境、土壤和水冰分布等進行研究的最全面的任務。」。
人類的探火史
國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言在接受記者採訪時梳理了人類的探火史，尤其是1996年以來，幾乎每個發射窗口都有火星探測器發射，按技術水平和任務內容來劃分，大體分為三個階段——
第一階段 1960—1970年
彼時國際深空探測尚處研究初期，相關國家主要以火星飛越探測、傳送火星圖片與探測大氣參數為主，但探測任務成功率並不高，僅有一例成功完成任務。
1960年10月，蘇聯向火星先後發射了兩個探測器，但均以失敗告終。直到1964年10月，美國「水手4號」探測器才向地球傳回人類史上第一張有關火星表面的近距離圖像，開啟了火星探測的新篇章。
到了60年代中後期，美國與蘇聯對火星的探測熱情有所減弱，轉而集中探測金星。
第二階段 1970—1990年
美蘇重新展開火星探測活動，以軌道環繞與著陸探測為主。
在此階段，探測任務成功率明顯提高，尤其是1971年發射的蘇聯「火星3號」探測器，成功登陸火星，但隨即與地球失去聯繫。1972年，美國「水手9號」到達火星，成為了火星第一顆人造衛星。
進入冷戰後期，美蘇兩國對於深空探測的投入減小，僅蘇聯發射兩顆火星衛星探測器，且全部失敗。火星探測的主要方向由發射探測器轉為研究歷次發射所得資料數據。
第三階段 20世紀90年代至今
火星探測重新成為深空探測的熱點。以美國為首的多個國家地區分別開展火星探測活動，探測方式主要為著陸探測，主要目標是尋找火星水存在的證據和生命跡象。
這其中，就有人們耳熟能詳的「勇氣號」「機遇號」和「好奇號」等多顆探測器，它們成功找到了火星水存在的證據。
迄今為止，成功登陸火星的探測器有8個：海盜一號、海盜二號，探路者、機遇號、勇氣號、鳳凰號、好奇號、洞察號，均為美國研製。
截至目前，仍在工作的火星探測軌道器有6個、著陸巡視器2個。其中，軌道器包括美國的「火星奧德賽」「火星勘測軌道器」「火星大氣與揮發物演變」，歐洲的「火星快車」「微量氣體軌道器」和印度的「曼加裡安」。
而還在工作的著陸巡視器，只有美國的「好奇號」火星車和「洞察號」火星著陸器。
山東老鄉助力「問天」
早報記者連線文昌發射場參與火星探測任務的山東籍工作人員
7月23日12時41分，長徵五號遙四火箭在文昌航天發射場點火升空，約40分鐘後，將「天問一號」送入預定軌道，開啟我國首次獨立火星探測任務。早報記者連線文昌航天發射場了解到，山東人成為本次發射主力軍，從重要崗位到普通操作手，從英雄男兒到巾幗豪傑，到處都有山東人的身影。採訪這一群山東老鄉，他們都表現出了對航天事業深深的眷戀，希望能夠在文昌發射場幹一輩子，在未來親自送中國人登上月球、登上火星，也希望帶著家人來看一次火箭發射，希望家鄉人民能夠越來越富裕。
孫暢負責操作的連接器系統如同火箭的「加油槍」。
孫暢
手指一動「黃金萬兩」
別看出生於山東滕州的孫暢身材嬌小，卻有大「能量」。孫暢是名副其實的「學霸」，以優異成績考入上海交通大學應用物理專業。畢業後因為從小的航天夢想，主動選擇到新建的文昌航天發射場工作。她憑藉刻苦努力迅速站穩腳跟，擔起連接器系統工作站崗位，這個崗位是文昌發射場10多個重要崗位之一。
如果將火箭比做一輛車，那麼連接器就像加油站的油槍，將燃料注入火箭內部。給火箭「加油」，每個環節要求都很高，「油槍」必須完全和加油口貼合，不能有一絲灰塵，不能有氣體進入。孫暢通過點擊指揮大廳的一個個按鈕，操作連接器上的管路閥門，稍有不慎點錯了供氣順序，可能就會造成損傷。可以說，手指一動，黃金萬兩。
孫暢充分發揮女孩子心細的特點，她參加了文昌航天發射場所有任務，每次都要進行上千次操作，她從沒點錯過一個按鈕。
在大型火箭長徵五號首次飛行任務時，發射日一個巨大的難題突然出現在這個滕州女孩面前。當時只剩不到5分鐘的時間就要點火，指揮大廳裡忙碌而緊張。突然，連接器脫落異常指示燈亮起。連接器無法脫落，火箭就不能點火！怎麼辦？萬分緊急的關頭，所有人都看向了連接器系統。孫暢迅速判斷是連接器長時間結冰被凍住，果斷啟用應急預案，完成脫落操作。從判斷到操作，她僅僅用了不到一分鐘。
孫暢曾多次被問道：「作為一個女孩，為什麼如此優秀？」她總是表示自己需要努力的地方還很多，隨後開起了玩笑說：「可能我們山東滕州有搞大型機械的傳統，在春秋戰國時期就出現了墨子和魯班等人，我作為山東滕州人，自然要當好工匠傳人！」
劉亞廣是發射場太空飛行器廠房空調系統的「元老」之一。
劉亞廣
「衛星保姆」噓寒問暖
出生於山東菏澤的劉亞廣，卻沒有山東人的粗線條。2012年底，他只身前往建設中的文昌航天發射場，並參與了文昌發射場所有任務。從第一枚火箭進入文昌發射場開始，他就擔任空調崗位，負責太空飛行器的冷暖，承擔起「衛星保姆」角色。
他照料過的衛星有「天舟一號」「空間站核心艙試驗船」，本次任務「天問一號」火星探測器也交到了他的手上。
太空飛行器廠房內的工裝產品和各式精密儀器對於溫度、溼度及潔淨度都有很高要求，測試環境需要長期保持在恆定的範圍。為保證各項參數穩定可靠，頻繁的數據監測、設備巡檢和狀態確認必不可少。
「我們這份工作適合夜貓子，通宵值班保障時間久了，難免對生物鐘有些影響，大家也都變成了『熊貓眼』。」劉亞廣笑著說道，剛30歲出頭的劉亞廣因為長期熬夜，臉上早早出現了皺紋。
劉亞廣是太空飛行器廠房空調系統最早一批元老。文昌發射場太空飛行器廠房的空調設備多達百餘臺，無論規模還是技術難度，都比他學過的要大，這反倒激發了他骨子裡不懼挑戰的特質。設備安裝完畢後，劉亞廣鑽研過的文件圖紙摞起來足有半米多高，更關鍵的調試工作也自然落到了他肩上。
空調系統調試期間，轉輪除溼機總是跳閘，他和廠家發現是由於海南溼度大，除溼機被二次設計增大了除溼功率，電源功率卻沒跟上，需要改造配電系統。早年在供電系統的工作經驗起了作用，結合以往處理故障的經驗，再加上他樂於鑽研的精神，電加熱接觸器頻繁跳閘等實際問題被他有效解決。
曹學仕帶領團隊為火箭和衛星提供測試用氣。
曹學仕
勇對「三高」不懼危險
老家在山東單縣的曹學仕，是中國文昌航天發射場火箭測試廠房綜合氣源庫的崗位負責人，今年是他從事航天事業的第15個年頭。本次火星探測任務中，他和他的團隊要為廠房內的火箭和衛星提供清潔的測試用氣。
利落的小平頭、囧囧有神的眼睛，卻被周圍的同事戲稱為「三高老曹」，倒不是因為他真的有「三高」，而是他所處的工作環境「氣體壓力高」「噪音等級高」「危險係數高」。他和他的團隊不僅要會供氣，還必須掌握如何制氣，依靠庫區的3臺壓縮機，確保試驗用氣能源源不斷地輸送到廠房去。任務期間，每天光空氣的用氣量就數以千計，曾經創下了日最高耗氣量近萬立方米的紀錄。
2012年，曹學仕響應單位號召，從西昌轉戰文昌，投身文昌航天發射場的建設中。面對海南島悶熱潮溼的環境，經驗豐富的他主動提出對空壓機乾燥器進行管路改造，經過反覆論證後進行了改造實施，大幅提高了空壓機乾燥器性能，增強了日常維護效能，為每年的維護保養節省了一大筆支出。
某次任務期間，面對幾百個大氣壓的高壓危險氣體和120餘分貝高噪音的環境，他帶領崗位操作手連續奮戰15個晝夜，為火箭地面設備保障空氣、氮氣數萬立方米，確保了發射臺調試工作的順利進行，完成了火箭的進場前準備。
不知不覺曹學仕已經離開家鄉15年，但他對工作兢兢業業的態度始終如一，他常說：「一定努力工作，不能給山東人丟臉！」
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「追星」人攪熱文昌
7月23日中午，「天問一號」火星探測器在位於海南的文昌航天發射場用長徵五號遙四運載火箭成功發射。這次發射吸引了眾多目光，很多航天愛好者為了追「星」，特地趕往海南近距離觀看發射。早報記者當天連線了在海南文昌市龍樓鎮文昌航天發射場周邊一家酒店內做直播活動的青島綜合廣播融媒體記者徐建，聽他講述所見的「天問一號」發射的另一個視角。
「盛夏的海南熱浪襲人，我們7月22日到達這裡的時候，就感受了這裡的熱度。除了氣溫熱，航天發射相關的所有東西都『熱』。」徐建說，首先是住宿熱，離文昌航天發射場最近的小鎮上人氣很足，各地來的航天愛好者和媒體記者將這裡並不多的賓館給住滿了，鎮上最普通的房間都到了每天400多元的價格。文昌航天發射場外數公裡的一家五星級酒店，佔據著觀看航天發射的最佳角度，房間早就搶訂一空，特別是能遙看發射場的房間，每晚的價格升至4000多元，還需要託關係才能訂到。
徐建說，他這次和一名攝像同事的行程，是為宜品乳業、航天基金會、青島綜合廣播等單位一起舉辦的火星探測器「天問一號」發射大型直播活動做現場直播連線，合作方也是提前1個月預訂了這家酒店一間角度稍偏一些的房間，在這間房間的陽臺上完成了直播活動。「火箭發射那一刻，我正巧在連線直播，和大家一起見證了這一神聖的時刻，周邊房間都能聽到歡呼聲。」徐建說。
徐建介紹，他和同行交流時得知，在距離文昌航天發射場不遠處的文昌淇水灣海灘上，也是一處很好的觀看發射點。海灘上，上午9時許就開始聚集起來自全國各地的航天愛好者，等待火箭升空。一位曾多次前來觀看發射的愛好者告訴記者，每次觀看火箭發射都十分激動，尤其是點火發射的那一剎那，總會有熱淚盈眶的衝動。對於「天問一號」的發射，很多當地人表示，受疫情的影響，現場人數明顯比去年「胖5」復飛時少了一些，但這並沒有影響「天問一號」發射帶動當地的商業活動，比如淇水灣沙灘現場，就有手錶、汽車、地產品牌搭建了活動展臺。
文圖:新華社 青報全媒體記者 孫啟孟 通訊員 李帆 遊連勇 朱曉輝 胡雷鳴