天問一號到底要問什麼？探火路上它將如何「乘風破浪」？

本文作者：魯暘筱懿

行星物理學博士、國家遙感中心副研究員

「遂古之初，誰傳道之？」——中國戰國時期的詩人屈原這樣問天。他的這首長詩《天問》表達了我國古人對於天地奧秘的好奇與思索。

「天問」是個大計劃

自1961年以來，人類已經向火星發射了40多個探測器，其中15次成功進入了火星軌道，8次成功著陸，並釋放了3輛火星車（巡視器）。

如蘇聯的「金星」、美國的「水手」行星探測計劃一樣，中國的「天問」計劃也是由若干探測任務組成的系列深空探測計劃。

開啟這一徵程，也意味著中國將正式跨入行星探測時代。繼載人航天、探月工程後，中國根據本國國情綜合考慮開啟的又一太空探索計劃。

天問一號火星探測器 （圖片來源：CNSA）

天問一號搭載的著陸器和巡視器 （圖片來源：CNSA）

事實上，天問一號火星探測任務是天問行星探測計劃的第一個任務單元，目標是探測火星表面物質成分、火星磁場及宇宙輻射環境、著陸區附近是否存在水冰、火星的氣候，以及對探測區域內的火星表面進行拍照，從而為科學家進一步了解火星演化提供「新鮮的」、「一手的」科學依據。

中國通過嫦娥探月計劃十六年的積累總結了豐富的深空探測經驗，實踐了如何將探測器降落到地外天體上、遠程操控探測設備對地外天體（月球及小行星）進行各類型探測、了解了地月間的各種物理場及空間環境狀況。

天問計劃的實施將意味著今後我們除了會經常聽到來自月球的「聲音」，還會時不時聽到火星的「回應」。

「乘風破浪」的天問一號

我們知道，火星上存在稀薄的大氣層，南北兩極有冰蓋……這些環境特徵使火星像極了地球，雖然火星是顆沙漠星球，卻絲毫沒有減弱人類移民火星的決心。為能做好去往火星生活的準備，人類花了大力氣去實地了解這顆紅色星球。

每次發往火星的探測器都會裝備許多科學儀器。這次天問一號也不例外，重5000千克的探測器上的13臺科學載荷讓這顆中國研製的火星探測器成為名副其實的「重裝騎士」。

13臺科學載荷包括：

• 軌道飛行器上的七臺儀器：

兩臺攝像機，火星軌道地下探測雷達，火星礦物學光譜儀，火星磁場儀，火星離子和中性粒子分析儀以及火星高能粒子分析儀；

• 火星車上安裝的六種儀器：

多光譜攝像機，地形攝像機，火星探測器地下探測雷達，火星表面成分檢測器，火星磁場檢測器和火星氣象監測器。

這位「騎士」先要騎上全新研製的長徵五號重型火箭擺脫地球引力的束縛，然後巧妙地藉助「霍曼轉移軌道」省時省力地踏上去往火星的徵程。

天問一號火星車上的科學儀器 （圖片來源：CNSA）

大約在2021年2月，天問一號將被火星引力捕獲，從而開始繞火星軌道飛行，4月左右將擇機著陸火星表面。看似漫不經心的一次飛行，實則步步驚心。

探測器衝出大氣層保護的一剎那，它將開始受到宇宙高能粒子和射線的輻射。這對於探測器部件的穩定性和壽命將是極大考驗。一些核心計算單元的可靠性將極大影響各重要飛行控制節點的準確性。

如果天問一號是顆載人登火飛船，那麼上面的太空人將在長達9個月的星際旅行中不得不面對宇宙空間內人類生存的考驗。這也是我們必須認真對待「腦科學」等生物學前沿學科的原因。

就算旅途中一切順利，降落至火星表面前的7分鐘也將是所有著陸火星的探測計劃最重要的環節。即便到了火星表面，氣溫、光照、輻射環境的劇烈變化也會使太陽能電池板、溫控單元等部件老化。

天問一號軌道器設計壽命兩年，著陸器及巡視器設計壽命為90天。

要命的7分鐘

如果說探訪月球是側方位停車，那到訪火星就像是汽車自動泊車。目前為止，人類一共向火星派出17個著陸器，只有7個安全著陸火星表面。

著陸速度是導致人類在「徵服」火星的道路上屢戰屢敗的最大不確定因素。

火星探測器進入火星大氣的時速約為21000千米，在7分鐘內，其速度在受控狀態下要降為零。

由於火星與地球之間有大約8到40分鐘的通信延時，工程師會提前把控制探測器飛行的數據輸入到探測器上。探測器將自主決定切入火星軌道的時機，切入點離火星過遠或過近，探測器終不能順利完成著陸火星的目標。

在探測器進入火星大氣時，其防熱措施、降落傘、氣囊和緩衝火箭等能否按程序工作，每一步驟都將決定探測器的生死。

在眾多失敗著陸案例中，就有探測器降落傘提前脫落，而反衝發動機未及時開機直接導致墜毀的事故。而成功逃過這7分鐘魔咒後，天問一號將著陸在一片相較平坦，科學家希望能探測到水冰的火星表面。

縱觀人類想出的著陸火星的方式，總的可歸納為軟著陸和硬著陸兩種方式。軟著陸是利用降落傘和反衝發動機的無縫配合著陸的方式。比如天問一號、好奇號都是採用的這一方式。

天問一號發射前做著陸實驗 （圖片來源：CNSA）

好奇號火星車著陸過程圖解 （圖片來源：NASA）

另一種硬著陸方式則是科學突發奇想利用能量守恆原理，採用氣囊緩衝的方式使探測器多次觸地最終靜止在火星表面的方式。機遇號和勇氣號這兩個孿生兄弟就是採用這種「滑稽」方式硬著陸火星的。

勇氣號火星車著陸氣囊 （圖片來源：JPL）

即便趕往火星需要乘風破浪，著陸火星尚需經受「黑色7分鐘」的考驗，但依然不能阻擋人類仰望星空，將自己置身於類地家園上的決心。

從左到右：旅居者號、勇氣號、好奇號 （圖片來源：JPL）

織網捕「天」

由於火星距離地球最遠時超過4億千米，這將對探測數據的接收和發射提出挑戰。

這些年得益於嫦娥工程及一些列空間探測任務的實施，我國已建立起一張深空測控網。這張網將由於火星探測、小行星探測計劃的實施而日益強大。

天問一號探測任務將包括「繞」「落」「巡」三個部分。每一步都需要地面測控網的鼎力支持。做到深空探測器、對地觀測衛星等太空飛行器測控數據高效準確的發送和接受是每個掌握深空技術的國家必經的取經路。

我國的這張網已初具規模：密雲、武清、佘山、佳木斯、喀什、內烏肯（阿根廷）以至於海上漂泊的遠望號測量船，這些測控站極大地改善了我國深空探測網的幾何構型，有了這張網，我們方可捕獲來自天外的微弱信號以及向深空發送控制指令。

三駕馬車共赴熒惑

由於航天發射窗口期的原因，想又快又省地去往火星，今年的7、8月是絕佳時機。7月20日，阿聯首個火星探測器希望號搭乘H-2A運載火箭在日本南部的種子島航天發射中心升空。

近期與天問一號前後腳發射的還將有美國的毅力號火星探測器。這三駕馬車共赴熒惑（中國古人對火星的稱呼）的場景不由得讓我們聯想到他們之中誰將佔據火星探測C位的戲劇畫面。

其實，火星乃至對於太陽系行星際空間的探測，時至今日已變成一個國際合作的舞臺。我發射的探測器上搭載你的儀器，你的軌道器幫我轉發著陸器探測數據和測控信息早已不再是航天國家間不可逾越的鴻溝。在駛向星辰大海的徵途上，人類終將戰勝利己，通力合作。

天問一號及其它火星探測器著陸火星表面位置 （圖片來源：Planetary Society）