漫活火星探測

-- 寫在「天問1號」出徵之前 --

劉忠戰

「遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，誰能極之？馮翼惟像，何以識之？……」

---- 屈原·《天問》----

兩千三百年前，一位桀驁詩人仰天問難，留下了千古名篇《天問》，激勵後人昂望星空、探尋真理。繼2018嫦娥登月之後，中華大地又一場「火星探測」大戲即將上演，向更深、更遠的宇宙星際發起挑戰。

火星，古稱「熒惑」，易傳五行之一，「火星車」被冠名《天問》，註定是一次滿含詩意的探天之旅。

地球人的「探火」壯舉，已有六十年歷史，共射火星飛器46次，然成功著陸僅八次， 我國2011年的「螢火1號」探測器，搭載了俄羅斯的「天頂」號火箭，可惜未飛出地球軌道就折戟沉沙，渺無煙跡。今年終於下決心全套中國製造，自主發射「天問」1號，成功機率幾何？必將全球關注！消息稱7月出發，明年2月抵達，4月登陸，歷時9個多月，將是一場驚心動魄、懸情掛念的長劇。大幕將啟之際，本文將漫聊幾個熱點話題。

一、 熒惑厥馳 ，福兮，禍兮？

太陽系八大行星中，按運行軌道排列，地球排行老三，內道緊靠金星，外道毗鄰火星（圖1），

既往「探火＂工程，各國為何都選擇了火星，而避開更返的大美人----「金星」？在中、西文化裡，火星預兆「戰亂」和「災禍」，中國古史裡描述的火星，總是用：行為詭異，熒惑厥馳，大逆不道（逆行）來形容，每遇「熒惑守心」（即火星與心宿的另一紅星會合）人間必臨大禍。據《史記·始皇本紀》載：秦三十六年，熒惑守心，有隕石落東郡，民間好事者在石上刻「始皇帝死」，始皇聞知，派御史查問，因無人認罪而盡殺周圍住民。現在看來，這分明是誣言者自招之禍，與「熒惑守心」又有何相干？細考古典，此類史傳不止一例，不知寫史者為何要讓「熒惑」背上黑鍋？

其實「古傳」與現實相反：被讚美的金星徒有美麗外表，它外層包裹25公裡厚的濃雲，「空氣」充滿酸霧，地表溫度高達500°C，氣壓超過地球90倍，是普通太空飛行器根本無法進入。火星，則別有一番天地：地表有稀薄空氣、地下有冰水，地表 -63°，晝夜時長與地球相當（24小時37分）。特別是1877年，意天文學家斯基亞帕雷發現火星上竟有「運河」；另一美國天文學家霍爾發現火星上有兩個 「小月亮」，這些資訊引起「火星有過生命活動」的聯想。雖然暫不宜居住，但它與地球同處太陽系「宜生帶」，其「自然環境」仍有改造的可能，是可能移民星球，為什麼不去哪裡打探一下呢？

二、 發射，為何選在七月？

我們知道，地球和火星分別跑在環繞太陽的第3、第4道，地球一圈用365.25天，速度30km/s；而火星用687天，速度24km/s，地快火慢，是一個不斷重複的圓周追及運動，從地球上看火星，會看到順行和逆行兩種運動。每隔778天（26個月）兩者相遇一次，距離最近，古稱「火星衝日」，此時看火星，看起來比平時大得多，圖2左右分別為2003年8月「大衝」和1995年2月的背遠視圖，兩者相差約一倍。

火星運行在橢圓軌道上（偏心率e =0.093），如果「衝日」正好發生在火星離太陽最近的「近日點」，那就近上加近了，這被稱為「大衝」，這種機會可不常有，約15—17年才有一次，2003年8月是絕好的一次「大衝」，世界上就有三次「探火」發射。接下來的2018年8月是又一個較好的「大衝」，被美國人抓住了機會，成功發射了「洞察號」。今年的「衝日」將後移至9月末，稍稍偏離了近日點，所以「天問」只能沾點光，最近時約5,600萬公裡。「天問」選在7月23日--8月5日發射 ，約在明年2月11--24日抵達，9月末的「衝日」正好夾在今年7月----明年2月中間，這個時段，地球正好處於火星的前、後兩側不遠處，是最佳的觀測和調控位置，過早或過晚都會失去近距離測控這個時機。

三、 三點引力下的「變軌術」

「探火」工程的歷史很殘酷：60年裡共有46次發射，失敗的次數遠大於成功！從1960年前蘇聯的「火星1A」失敗，到2018年美國「洞察」號成功，全球「探火」成功登陸的僅8次，另有6次僅做到「繞飛」。宇航鼻祖俄羅斯，有21次發射，僅1次成功。亞洲國家日本和印度，各發過一次，日本項目宣告失敗，誓與中國一較高下的印度卻獲得了成功，雖只實現繞飛，但「超越中國」的「熒火1號」，足以使印民自豪。以上這段小史算是「天問」開演的「前情提要」，我們的《天問》是明知山有虎偏向虎山行的挑戰之旅。美、俄、歐、印、日必會「強烈關注」，每一個細小環節都是看點。「天問」1號的雄心遠高於印度的「曼加裡安」號，它要實現一次發射完成美國60年來實現的全部目標，意義非凡！

約4億公裡的行程，將跨越地、日、火三個引力交織區，處處有「迷局」，步步猶「驚心」，一步錯，可能萬劫不復。不僅考驗運載火箭技術實力，更考驗通信、測控、人工智慧等等綜合能力，是中國綜合國力的一次大考。

從地球到火星漫長的飛行，除了軌道矯正的極短時間消耗動力外，絕大多數行程都是靜默的慣性飛行狀態，在萬有引力與慣性力相平衡狀態下，太空航線是橢圓曲線或拋物線，經歷「繞地」、「繞日」、「繞火」三種圓軌道的銜接，「天問」將走出太空「狐步舞」。航天術語：「霍曼轉移軌道」加「矯正」。

「 霍曼轉移軌道」，是德國工程師瓦爾特·霍曼1925年提出的。當太空飛行器在圓軌道或橢圓軌道飛行時，它處於無動力「慣性飛行」態，只有當由一個圓軌道轉移到另一個更大的圓軌道時，才需要額外加力。霍曼原理給出了最小耗能的變軌方式。如圖3所示，當地球衛星需要由低軌道R0衝向更高的軌道R1時，應在近地點（M1）加力，因為藉助於地球的引力，火箭在近地點具有最大速度（軌道越扁，近地點速度越大），在高速點施加衝量（F·t），會比其它位置獲得更大的動能。當需要維持在一個大圓軌道（R』）上長期運行時，需要在遠地點（M2）加速，這是因為在M2點加速，需要較小的衝量（這個看似玄妙的原理，物理愛好者可用克卜勒第二定律和動能定律給出證明）。

發射「天問」，目的是脫離地球引力束縛飛向火星，所以需要多次在M1點加速，使橢圓軌道不斷拉長，當速度達到第二宇宙速度（V2=11.2km/s）時，火箭將被「拋」出去，不再返回地球，拋出的方向是大致沿著地球公轉方向，因為可藉助地球原有的公轉速度，更易進入繞太陽的行星軌道，也是追趕火星的軌道。有人將這個過程比作拋鏈球，運動員通過多次旋轉、加速、當速度達到最高時，將鏈球拋出（圖4），雖不完全相同，但也有相似之處。

接近火星時，會被火星引力「捕獲」，進入繞火星飛行的橢圓軌道，再逐漸變軌到小圓軌道，最終降落到火星地面上，這個過程與地球上的「變軌」、「拋出」原理相同，只是加力的方向相反。圖5表示從太陽系看，「天問」號由地球到火星的全部行程，它的要點綜述如下：

① 地面發射

火箭從地面起飛，加速到第一宇宙速度（7.9km/s），具有繞地球圓軌道O0飛行的能力，這是執行其它軌道轉移的基礎。

②橢圓轉移

為了增加火箭的動能，使它具備「衝」到更高軌道上的能力，在近地點M1加力，進入橢圓軌道01，通過M1點多次加力，轉移到更長的橢圓軌02。根據火箭功率，橢圓過渡次數不同，嫦娥1號，用了三次以上橢圓轉移，而嫦娥2號僅用了一次就直奔月球。印度發射「曼加裡安」號，因火箭功率小，用了7、8次橢圓轉移才離開了地球。

＜曼加裡號多次軌道轉移衝出地球＞

這種發射方法叫做「用時間換動力」，雖然拉長了發射時間，但卻節省了造火箭的費用，印度因此也贏得「最小費用探火工程」的美譽，（僅花了7400萬＄）也是另一種成功。

③奔火之旅

火箭最終被「拋」出地球引力圈，衝上「ON」軌道，ON是經過事先計算可與火星交會的一個大橢圓軌道，衝出地球後，火箭將自動降速，速度將介於地球與火星的速度之間，過高或過低都會失去與火星交會的機會，在M2—M3行程段，火箭相當於太陽系的一個小行星，佔據地球與火星之間的軌道。當過M3點後，身份逐漸轉變，進入火星的引力的範圍，被火星「捕獲」而成為「火衛家族」的成員。

④變身「火衛」

過M3後，火箭將「剎車」使相對火星的速度降至3.5km/s左右（火星上的第一宇宙速度），成為環繞火星飛行的一顆小衛星，加入到火衛家族中，因火星外圍軌道上，已有其它早期「探火」抵達的衛星，所以「天問」結束六個多月的寂寞孤行，氣氛會逐漸熱鬧起來，這時，會有火星地面的掃描圖像被傳回地球時，「探火」工程基本上達到了印度「曼加裡安」號的水平，但目標遠不在此，趕超美國「洞察號」的重頭戲還在後頭。

〈火衛2，樣子很醜〉

四、 軟著陸，驚心「8分鐘」

在2---4月的環繞飛行中，飛行器會對火星表面地形進行掃描，選擇有利的著陸點。按計劃，明年4月23日前後實施軟著陸。這將是探火工程最關鍵的一步，驚心動魄的「8分鐘」將是萬眾矚目的時刻。此時地球超前火星約2.7億公裡，向地球上傳遞信號需要15分鐘，所以著陸過程遇到的任何突發事件，地球上來不及作出反應，軟著陸過程是由著陸器自主控制完成的，因為通信延遲，我們也不會看到實時著陸畫面。軟著陸如果完成，15分鐘以後才能看到結果。我們普通觀眾只能等著看錄像了。

＜美洞察號著陸過程＞

據發布信息：著陸過程分為4段：第一，進入火星大氣層，利用大氣阻力減速，從自由墜落的4.8km/s減到460m/s，歷時290秒；接下來打開降落傘，歷時90秒降到95m/s；再隨後用反推發動機減速到3.6m/s，到離地面100米高度上「懸停」，對火星地表再作最後的觀察，選定安全位置降落。這與嫦娥軟著陸過程類似，但比嫦娥多了傘降過程，這得感謝火星上尚存的一點稀薄空氣。

五、 橫貫太陽系的通訊鏈

火星上的軟著陸與嫦娥月背著陸過程類似，地-火距離是在不斷變化中，是地-月距離的數百乃至上千倍。信號的衰減按平方反比率計算，會比地-月通信弱數萬乃至百萬分之一。地-火間的通信沒有象嫦娥通信所依賴靠的「鵲橋」中繼衛星，只能靠地面上建造超大口徑天線來增大發射/接受功率。

圖6 是新裝配的70m大口徑天線，與探月任務不同的是，探火工程將採用布置在不同地點的多臺大口徑天線組合來實現星際通信，如用GRAS-4天線與北京密雲GRAS-1（50米口徑）、GRAS-3（40米口徑）、雲南昆明GRAS-2（40米口徑）等聯合組陣，同時接收，進行數據合成，提高鏈路傳碼率。新裝的GRAS-4天線總重2700噸，高72米，面積相當9個籃球場。除能接收火星探測的數據外，還可以接收其他行星或其他深空探測器發來的數據，為以後更遠的星際探測打好基礎。這種通信方案也是首次，效果如何，也是重要的看點。

六、 期待中，「天問」之問

軟著陸成功後釋放火星車，「天問號」就算正式上班了。這些年國際上的「探火」熱，已經演變成「國力競賽」，有如奧運賽場上人們只關注誰跑了第一，並不在意跑去做了什麼。「探火」競賽中，多數人並不關注到火星上能探測什麼,能去轉悠一次，就算成功。隨著地-火交通成為通用成熟技術，人們會將注意力放在「探測什麼」上。其實科學家們，對火星探測抱有兩個興奮點：即太陽系演化史和生命演化史。

讓我們回到本文的開頭，思考屈原之問，《天問》長篇，提出一百七十多個問題，囊括宇宙形成、日月運轉、天人感應、大地形狀、命運吉兇、神話史傳等等，在哲人眼裡，也許就是「那三個」最基本的哲學命題：「我是誰？我從哪裡來？我到哪裡去？」，宇宙演化出了人類，人類進化出了「悟性」，再用悟性去了解自身，了解孕育自身的那個宇宙，這個認知「輪迴」的實質，是「宇宙自己在了解自己」。這就是宇宙孕育生命的意義。「探火」猶如宇宙考古，火星上的「原始」和「蠻荒」正好帶有太初信息，研究那裡的地形、土層結構、化學成分、可能為我們解開「遂古之初，誰傳道之？」找到一些答案。太陽系行星的形成，素有塵埃漩渦凝聚說和中心拋離說的懸疑；太陽系是迄今為止宇宙間唯一演化出生命的地方，它一定有獨特的未解之謎。「天問」之問，在我們的熱切期待之中。

＜附：文中數據屬「漫話」科普性估算，確切數據以發射公布為準。＞