人類為何對探測火星興致盎然?中國處於什麼水平?

◆ 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。而其他國家的第一次火星任務，多只有環繞，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

◆ 「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。」

◆ 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

文丨袁嵐峰

作者為中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員

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點火升空。

「天問一號」將承載我國第一個火星探測任務，著陸在火星表面完成巡視探測，獲取火星科學數據，一次性實現對火星「環繞、著陸、巡視」三大目標。

火星探測器發射成功只是「萬裡長徵第一步」，「天問一號」還要進入地火轉移軌道，歷經約7個月飛行進入火星軌道範圍。之後，按照預訂計劃，「天問一號」將被火星引力俘獲，在地面測控系統的支持下進入環火橢圓軌道，運行到選定的著陸窗口。

第二步完成後，「天問一號」將減速落入火星大氣層，進入所謂的「死亡7分鐘」時間。由於火星距離地球太遠，信號傳輸一個來回就需要十幾分鐘時間，而整個著陸時間僅僅7分鐘，這意味著著陸過程不能由人工進行幹預，而是由「天問一號」上自帶的著陸程序完成。

成功著陸後，火星車將從著陸平臺上走到火星表面，開展探測作業，為期大約90多天。

為什麼要去火星

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。也就是說，金星、地球、火星排在第2、3、4位。

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。

地球位於宜居帶的中間，當然是各方麵條件最優的。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。人類第一個接近其他行星的探測器，是1962年美國的水手2號，它的目標就是金星。

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。

作為對比，火星大氣稀薄，密度不到地球的1%。雖然這聽上去也很糟糕，但跟金星對比，就會明白什麼叫做「如釋重負」。畢竟，氣壓低可以穿航天服，而氣壓太高就只有被壓死了。火星表面的平均溫度是-55攝氏度，而且波動範圍很大，可以上至30攝氏度，下至-100攝氏度以下。對比金星的460攝氏度，也會感覺好多了。

火星最有吸引力的一點，是上面有水。

人們最初用望遠鏡觀察火星的時候，看到很多紋路。不少人把它們理解為河道，甚至是火星人開掘的運河。雖然截止目前我們沒有在火星上發現任何生命。不過，火星歷史上應該有過活躍的地質運動與河流，但由於太陽風的吹拂以及小行星的撞擊等原因，後來逐漸都消失了。

然而，火星現在還有大量的固態水，也就是冰，這是一個非常重要的發現。此外，火星上還有大量的固態二氧化碳，也就是乾冰。為了跟乾冰區別，我們往往把固態水稱為水冰。

在火星的南北極，就有巨大的水冰與乾冰混雜的冰蓋，水冰主要集中在底部。除此之外，在火星的地下很可能還有液態的滷水，即溶解了大量鹽分的水，甚至可能有巨大的液態滷水湖。這讓火星上存在生命的希望大增。

在地球的各種極端環境下，如火山口、深海、熱泉、鹽湖等等，都有不屈不撓的微生物生存著。它們的能量來源可以不是光合作用，而是各種因地制宜的辦法，如硫酸亞鐵氧化還原反應放出的化學能。對於這些「小強」來說，火星的環境遠不算最惡劣的。因此，在火星上發現生命是相當有可能的。

未來一段時間裡，掘地三尺尋找生命，就是火星探測的一個重點目標。如果真的找到了，那麼這將是人類第一次發現地外生命，帶來的衝擊是巨大的。

▲ 7月20日，阿聯首個火星探測器發射。在搭載「希望」號火星探測器的H2A運載火箭發射升空後，阿聯民眾在杜拜的穆罕默德·本·拉希德航天中心歡呼慶祝 新華社/路透

如何去火星

從地球怎麼才能到火星呢？

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。兩個軌道都是接近於圓的橢圓。地球軌道跟圓相當接近，半徑約為1.5億公裡。火星軌道稍微扁一點，近日點和遠日點分別約為2.07和2.49億公裡。

由此可見，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。為什麼呢？從地球和火星的公轉周期就能算出這個數值。

地球的一年大約是365天，而火星的一年大約是687天。經過780天後，地球走過了780/365=2.14圈，火星走過了780/687=1.14圈。地球比火星剛好多走了一圈。所以如果出發時日地火連成一線，那麼到這裡它們又會連成一線。

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。一條霍曼轉移軌道的路程長達6億公裡左右，約為地火最近直線距離的十倍，需要飛行大約260天即約9個月。

如果願意消耗更多的燃料，投入更大的成本，當然可以抄近路。這叫做「快速轉移軌道」。例如，美國2018年發射的「洞察」號依靠強大的火箭和最好的時間窗口，只走了4.8億公裡，只用7個月就到達了火星。

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。

▲ 7月23日，長徵五號遙四運載火箭在中國文昌航天發射場點火升空，實施我國首次火星探測任務（天問一號任務）。 新華社記者 才揚 攝

中國起點高

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。

當時，中國沒有能把大型載荷送到火星的火箭，也沒有能達到火星的全天域深空通信網絡。但如今，中國擁有了運力強勁的長徵五號火箭。此外，也開發出了深空通信網絡，並在2019年嫦娥四號登陸月球背面的壯舉中就發揮了關鍵作用。

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」。其他國家嘗試過好幾次登陸火星，但都失敗了。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。

單純依靠「繞」和「落」能觀察到的現象，很多前人都已經做過了。因此如果要真正在科研探索上有所突破，就需要「繞落巡」全都上。尤其是火星車可以自由移動，可以探索別人沒去過的地方。

這背後一個需要回答的問題是：探索火星是為了「面子」，還是真的要做科學探索？

一個戲劇性的例子，來自印度。早在2013年11月，印度就發射了「曼加裡安號」火星探測器，在飛行了11個月後，於2014年9月進入環繞火星的軌道。

憑藉這項成就，印度成為了第一個也是目前唯一一個首次探測火星就完全成功的國家。

不過，這裡的關鍵在於「完全成功」。有些國家或地區的首次任務，雖然只是部分成功，但取得的科學成果卻比印度多得多，例如歐洲的「火星快車」。所以印度的「完全成功」是在目標很低前提下的成功，基本上只有刷自豪感的價值。

有了這些背景，才能更好理解中國探測火星的策略選擇。歷史上，美蘇都投入了巨大的資源進行太空探索。蘇聯起步還早一些，初期具有技術優勢。不過美國後來居上，超過了蘇聯。一個重要原因是，美國意識到太空事業的發展要以科學來引領。

例如，1957年，蘇聯的人造衛星記錄到了地球上空上萬公裡處的輻射帶，但認為是儀器問題。幾個月後，美國的人造衛星也發現了這個輻射帶。這成了一個偉大的發現，被命名為範艾倫輻射帶，範艾倫是美國物理學家和早期衛星的研製者。

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。人們已經不滿足於到行星表面看一看，而是看向時間的深處——研究行星的演化歷史，看向空間的深處——研究行星的內部結構，看向人類的深處——研究生命起源和尋找地外生命。」

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。」