近期，我國將用「長徵五號」大型運載火箭發射首枚火星探測器「天問一號」，舉世矚目。
一次發射實現「繞著巡」
「天問一號」火星探測任務的最大亮點是通過一次發射實現火星環繞、著陸和巡視三項任務，即一次完成「繞著巡」。這在人類火星探測史上是前所未有的。
採用這種「一舉三得」的探火方式，起點高、效益高，但挑戰大，目前只有美國完成過「一舉兩得」的探火方式。如果成功了，我國將在深空探測能力上實現跨越式發展，成為世界上第三個在火星著陸、第二個在火星巡視的國家。
至今，人類共實施了44次探火活動，其中完全成功的探測任務只有19次，成功率約43%；即使算上部分成功的，也僅僅只有23次，成功率約53%。所以，火星被稱為「探測器墳場」。失敗的主要原因是火星距離遠、環境新，因此需要攻克一系列難關，每個環節都不能出現閃失，對於中國「天問一號」火星探測器來說更是如此。
為此，我國採取了多項新措施、新技術來應對挑戰。
例如，發射火星探測器要用大推力運載火箭把探測器加速到至少11.2千米/秒的第二宇宙速度，直接進入地火轉移軌道飛往火星，否則就需要消耗探測器自身燃料和較多的飛行時間來加速，從而會影響探測器壽命。印度在發射「曼加裡安」火星探測器時，就是由於運載火箭推力小，所以「曼加裡安」只能採用後一種方案，多花了很多時間和燃料才抵達火星。
我國將採用「長徵五號」遙四運載火箭發射「天問一號」火星探測器。由於「長徵五號」的地火轉移軌道運載能力是5噸，而「天問一號」的質量為5噸，所以「長徵五號」是可以把「天問一號」直接送入地火轉移軌道的。
△ 長五遙四火箭在垂直轉運中。（圖源：國家航天局）
眾所周知，地球和火星都是繞著太陽運行，地球在裡圈運行，運行得快；火星在外圈運行，運行得慢。所以，地球與火星之間的距離是不斷變化的，最近的時候有5500萬公裡，最遠的時候在4億公裡以上。這比地球到月球的距離要遠100多倍甚至1000倍。由於信號的強度與距離的平方成反比，而火星距地球太遙遠，從探測器上發出電波經過幾億千米再傳到地球後會十分微弱，再加上宇宙中的噪聲，所以很容易把傳輸信號淹沒掉。
△ 70米天線與火星探測器數據傳輸通信示意圖
由於天線的直徑和探測距離成正比，增大天線口徑可以增加探測距離。為此，我國探火的測控通信網採用了直徑較大的收發天線。這次參與遙測、遙控「天問一號」火星探測器的深空測控系統主要有黑龍江佳木斯66米直徑天線測控站和新疆喀什35米直徑天線測控站等，以及甚長基線幹涉測量（VLBI）分系統和必要的國際聯網等。我國還在天津武清新建了一個主反射面直徑70米的高性能接收天線，這是亞洲最大的單口徑全可動天線，它能可靠地接收「天問一號」發回來的科學數據，並進行處理、解譯和研究。
△ 4月25日，由中國科學院國家天文臺承建的首次火星探測工程地面應用系統在天津武清站成功實施，完成了70天線反射體的整體吊裝。
攻克「恐怖7分鐘」難關
探測器在火星表面軟著陸是火星探測中最難的，要經歷「恐怖7分鐘」，先是氣動減速段，然後是傘降減速段，接著是動力減速段，最後是著陸緩衝段。這幾個階段都必須嚴格按程序執行，否則「滿盤皆輸」。
為了安全著陸火星，2019年11月14日，我國在位於河北懷來亞洲最大的地外天體著陸綜合試驗場，成功模擬了著陸器在火星重力環境下（火星重力加速度約為地球的1/3）懸停、避障、緩速下降的過程，對其設計正確性進行了綜合驗證，也為火星探測任務的如期實施奠定了堅實的基礎。
由於火星環境複雜、惡劣，探測器在著陸後也不是萬事大吉。例如，因為火星探測器遠離太陽，它所受到的太陽輻射強度大大減弱；而且火星上溫度很低，赤道上的平均溫度只有-23°C，這些對火星車的能源系統、溫控系統等提出了很高的要求。
據我國火星車專家賈陽撰文介紹，我國火星車除裝有光電轉換效率較高的4塊太陽電池板外，在其頂部還裝有一個像雙筒望遠鏡樣子的設備，叫作集熱窗，它可以直接吸收太陽能，然後利用一種叫作正十一烷的物質儲存能量。白天，火星溫度升高，這種物質吸熱融化，到了晚上溫度下降，這種物質在凝固的過程中釋放熱能，這樣效率可以達到80%以上。
探索人類未來「第二個家園」
火星是太陽系中與地球最相似且距離較近的行星。例如，火星的一天約為24.6小時，與地球十分接近；火星自轉軸與公轉軌道面傾角約為65°，所以存在四季變化，這也和地球相似；火星大氣很稀薄，以二氧化碳為主，壓力大約只有地球的1%；雖然火星表面溫度平均僅為-63℃，但夏天陽光直射區域溫度可以上升到約20℃，赤道附近的極端最高溫度則有可能達到30℃左右。
因此，從全人類的高度講，探測火星、了解火星的起源和演化，有助於人類進一步認識地球和太陽系的形成和演化，預測地球的未來變化趨勢，促進人類對地球生命乃至太陽系的起源和演化的研究，以及了解人類在宇宙中的地位和最終命運。
了解火星本身也很重要。因為大量跡象表明，火星以前很可能與目前的地球一樣，只是經過幾十億年的演化才變成大氣層稀薄、溫度較低、水源枯竭等今天這個樣子。所以不少天文學家推斷，火星可能是地球的未來。因此，深入探測、了解火星，對研究地球的演變，防止它變成人類難以生存的家園具有促進作用。
從更長遠看，地球將來很有可能會遭受地外星球的撞擊而毀滅。因此有些科學家認為可先把火星改造成適合人類居住的第二個家園，然後向火星移民。為此，現在就必須逐漸全面而深入地了解火星才行，為改造火星、建造火星基地奠定基礎、做好準備。所以，探測火星意義重大。
「天問一號」使用大量「黑科技」
近些年來，隨著科技、經濟的飛速發展，我國已在月球探測方面取得了長足的進步，為技術難度更大的火星探測奠定了堅實的基礎。通過探測火星，能深化我國對火星乃至太陽系的科學認知，推進比較行星學等重大問題研究，掌握火星的第一手信息，加速我國重大原創性的空間科學成果問世，為人類全面而深入認識火星做出自己的貢獻，使我國由火星知識的使用國逐步變成火星知識的產生國。
「天問一號」的環繞器攜帶了7臺科學載荷，可用於對火星開展全球性、普查性綜合探測，並為巡視器提供中繼通信鏈路；火星車攜帶了6臺科學載荷，可用於在著陸區開展區域性、精細性巡視探測。所以，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。
△ 著陸巡視組合體的工作過程：著陸火星、分離火星車、火星車開展巡視探測。
另外，通過「天問一號」探測火星，不僅能極大拓展我國對火星的認知，而且可以牽引和帶動我國航天和相關高科技技術的快速發展。這次火星探測起點很高、難度極大，必須採用許多新技術才行，因此它帶動了不少新技術、新材料和新器件的發展，促進了大批創造性的發明和技術應用。
據悉，在「天問一號」火星探測器中，就使用了我國獨立自主研發的多項「黑科技」，例如，火星車使用的熱控材料是新型保溫材料——納米氣凝膠，它很輕，隔熱性能很好。這些新技術、新材料和新器件等反過來又可用於國計民生，為國家經濟社會發展、人類生活質量改善提供源源不斷的創新活力。
作者 / 龐之浩
（航天專家，中國空間技術研究院研究員）
編輯 / 張雪松