登陸火星須克服「黑色7分鐘」

焦維新

2020年7月23日12時41分，「長徵五號」遙四運載火箭託舉著我國首次火星探測任務「天問一號」探測器，在中國文昌航天發射場成功點火升空。

近日，航天專家、北京大學地球與空間科學學院教授焦維新接受廣州日報全媒體記者專訪，他詳細介紹了我國「天問一號」探測器未來環繞、著陸、巡視火星時的很多技術環節以及其中的難點。焦維新表示，因為火星距離地球太遠，飛行器屆時將無法人為操控，只能按照已設定的程序進行操作，而飛行器著陸時更要經歷「黑色7分鐘」，過往不少飛行器都在這7分鐘裡被損毀；此外巡視火星時，飛行器還要提防火星上的沙塵暴；而提到「移民火星」的說法，焦維新表示：「未來可以去火星旅遊，但沒必要去定居，因為要讓火星適宜人類生存，至少需要改造800年~1000年，而地球上還有1/3的土地是沙漠，改造沙漠顯然要比改造火星容易得多。」

文、圖/廣州日報全媒體記者 武威

挺過「黑色7分鐘」是關鍵

廣州日報：「天問一號」已經成功發射，在前往火星的歷程中，它還要經歷怎樣的挑戰和困難？

焦維新：在飛行期間，「天問一號」不會遭遇什麼困難，它只要根據預定的軌道飛行，假如它的位置與方向和之前的設定有一定差距，地面控制人員做幾次軌道修正就可以了。

「天問一號」遇到的第一個難點將是切入火星軌道。當探測器到達火星附近時，速度是3km/s，但火星軌道的逃逸速度是1km/s，如果飛行器以這個速度靠近火星，火星的引力場就無法將它「捕獲」，它在火星附近拐個彎就跑太陽系裡去了。這時，它就要調轉180°，利用發動機反方向點火減速，時間約是20~30分鐘，之後它才能被火星引力「捕獲」。這一操作的難點在於，探測器當時和地球相差1億多公裡，而通信的單程時間就要10多分鐘，操作時還在火星的背面，因此人們不能通過地面指令對它進行遙控，只能依靠飛行器原本設定的程序來操作。之前日本的火星探測器在這個階段時沒控制好，探索就以失敗告終。

這一關過後，「天問一號」就將變成火星的衛星了。但一開始，它的軌道離火星還比較遠，不太適合進行科學探測， 這時就可以開動發動機，進行軌道機動，降低探測器的高度，但這種方式會消耗燃料，這對已經長途跋涉的飛行器來說並不可行；另一種方法則是利用火星的大氣阻力，讓探測器逐漸減速，一點點接近到可以進行科學探測的高度。

這一高度達到後，飛行器就要開始尋找合適的著陸點，拋出著陸器。儘管火星大氣層比較稀薄，但著陸器的速度比較快，還是會和火星大氣摩擦生熱，讓著陸器表面像一團火，一般著陸器前面有一個熱屏蔽層用來隔熱，等到速度降下來後，熱屏蔽層就被拋掉，打開降落傘減速。儘管火星空氣稀薄，但因為降落傘比較大，對減速還是起到很大的作用的。當速度降低到一定程度時，降落傘也將脫落，這時著陸器的反衝發動機點火，讓速度進一步減低，並懸停在空中一段時間，其間觀察著陸點是否適合著陸，查看是否有大的隕石坑和巖石，如果有，就讓著陸器平行移動，躲開這些障礙物再進行下落。

當著陸器最後與火星地面接觸時，依靠著4條有彈性的「腿」，能起到一定的緩衝作用。從把著陸器拋射出來到著陸器著陸，時間為7分鐘，這被科學家們稱為「黑色7分鐘」，也將是「天問一號」最驚險的一段旅程。此前歐洲空間局發射的兩個火星探測器，兩個火星車都在這7分鐘的著陸過程中失敗了，因為著陸對技術的要求非常高，從地球傳信號到著陸器要10多分鐘，遠大於7分鐘的著陸時間，因此在地球的工作人員無法操控，只能依靠著陸器自身設定的程序。

等平安落地後，火星車就開始工作了。這時比較大的風險則是遭遇沙塵暴，沙塵暴覆蓋了太陽帆板，會讓帆板效率降低，這時火星車可以通過抖動來幫助把沙子去除，像「勇氣號」火星車等之前都遭遇過沙塵暴的麻煩。

總的來說，「天問一號」能否成功進入火星軌道，能否躲過「黑色7分鐘」，都將是火星探測的關鍵。而要順利完成任務，靠的是儀器設計的可靠性和程序設計的合理性。

如成功將讓人類更進一步

廣州日報：「天問一號」上會帶哪些先進的設備？如何將數據送回地球？

焦維新： 「天問一號」裝載著大約240公斤的太陽能漫遊車，預計將在火星上運行約90天。「天問一號」任務總共有13個科學有效載荷，軌道飛行器上的7臺儀器包括兩臺攝像機、火星軌道地下探測雷達、火星礦物學光譜儀、火星磁力儀、火星離子和中性粒子分析儀以及火星高能粒子分析儀；流動站上安裝的六種儀器是多光譜攝像機、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。這些設備採樣的數據將被存儲下來，定期傳回地球。

廣州日報：如果「天問一號」能順利完成環繞、著陸、巡視的工作，對我國航空航天技術有怎樣的標誌性意義？

焦維新：先不說科學探測結果如何，如果這3步我們都能完成，就是很了不起的成績。目前在國際上，歐洲空間局曾同時發射軌道器和火星車，但兩次都失敗了；美國基本是單獨發射軌道器或單獨發射火星車，而只有我們是同時發射軌道器、著陸器和火星車，如果成功了，那就是任何國家都沒有做到的成績，是具有裡程碑意義的成果。

具體到科學探測方面，儘管人類已經發射過多臺火星車，但每個的著陸地點都不一樣，因此得到的結果也是不一樣的，只要火星車能正常工作，那我們得到的都將是創新性的成果。

廣州日報：為何世界各國如此重視火星探測？

焦維新：首先是人們對探索未知的驅動力。目前太陽系內的天體幾乎都被人類探測過了，這些探測結果極大地拓展了人類的眼界；如果中國能成功探索火星，對人類的進步有著很大的意義。此外，探索地外生命也是人類十分關注的問題。太陽系的幾個類地天體，火星的條件還算比較好，相對來講可能有生命存在。未來我們還可以利用火星的資源來探索更遠的天體。

此外，深空探測也將推進人類技術的發展，探索火星需要火箭技術、控制技術、探測技術、時空通信技術等等，這些都將讓人類技術向前更進一步。

「火星遊」幾百年後可期

廣州日報：目前人類技術能否實現飛行器在火星和地球間的往返？

焦維新：我們國家探測火星的下一步目標就是取樣返回，美國和歐洲空間局也在策劃這件事，但返回需要綜合性的技術。首先火星車要能找到最有科學意義的樣品，取回來放到返回器裡；第二個難點是返回的技術，這是人類從來沒有做過的事情，從地球去火星有一個發射窗口，而從火星回地球也有一定的時機，至於怎麼抓住這一時機返回地球，人類還沒有任何經驗，需要不斷地探索。

廣州日報：科幻電影中有一些描述火星移民的故事，你覺得會成為現實嗎？

焦維新：移民火星的問題要從兩方面看，一是必要性，二是可能性。從必要性看，我們在地球上住得好好的，為什麼要移民去火星呢？要知道火星無論怎麼改造，都不能達到地球那麼舒適，與其去改造火星，我們更應該去改造地球上的沙漠，因為讓沙漠宜居遠比讓火星宜居來得更容易也更便宜。因此移民火星沒有必要性。

而從可能性來講，改造火星也不是一點可能性都沒有。我寫過一本書，叫做《探索紅色星球》，其中最後一章叫「火星地球化」，專門談了改造火星大氣層的步驟，從理論上講，改造火星的時間是800年~1000年；還有一個關鍵，就是只有地球有磁場能讓生物免於過強帶電粒子的危害，而火星沒有磁場，無論我們怎麼改造也造不出磁場來。

因此，集中全世界科學的力量來改造火星是不現實的，但未來隨著科學的發展，我們可以製造出載人飛行器登陸火星，建立火星基地，等到幾百年以後條件好了，再讓人類去火星上旅遊，這都是有指望的，人類可以在火星上短期居住、進行科學探索，但目的絕不是為了移民。