圖為長徵五號遙四運載火箭在中國文昌航天發射場完成技術區總裝測試工作後，垂直轉運至發射區，等待實施我國首次火星探測任務。 （新華社發）
遠望6號航天測量船為「天問一號」保駕護航。 （資料圖片）
7月23日12時41分，我國首個火星探測器由長徵五號運載火箭在中國文昌航天發射場成功發射，標誌著我國首次火星探測任務——天問一號任務正式實施。人類為什麼要向火星進軍？探索火星將會帶來怎樣的價值和意義？火星是否真的會成為地球之外的另一個人類家園？帶著這些問題，中國的首次火星探測之旅拉開了帷幕。
日月安屬？列星安陳？早在先秦時期，屈原就對當時天文學提出了種種質疑——可以說，「天問」是可貴科學精神的萌芽。
一直以來，火星這顆神秘紅色星球，都吸引著人類不斷深入探索。望遠鏡發明之後，科學家還精細測繪出火星表面地圖。近代以來，火星激發著作家們的創作熱情，《火星紀事》《火星救援》《紅火星》《綠火星》……從小說到電影，這顆紅色星球備受科幻學者青睞。
科學家們為何獨愛火星呢？在太陽系八大行星中，火星與地球擁有最相近的體積、溫度，幾乎一樣的自轉周期，就連物理性質與化學性質也最為相似。有研究表明，火星擁有高山、平原與峽谷等多種地形，其晝夜長短及四季變化與地球也幾乎一樣。大約在40億年前，火星上甚至還有過河流和海洋，那時的火星可能比現在的地球還要宜居。然而今天，那裡卻是一片乾燥、荒涼的絕境。
後來，人類搭載多光譜相機與許多傳感器的軌道器，繪製了火星表面礦物與近表面水的分布圖，並漸漸認識到火星環境是如何被改變的。原來，在遠古時期，火星上的大氣層比現在更厚，氣候也更加溫暖溼潤。科學家們甚至認為，地球上的生命與火星生命同源。因此，我們研究火星的現在，或許可以預測地球的未來。目前，全世界科學家們都在努力探究，甚至寄希望於把這個神秘紅色星球慢慢改造成為一個綠色星球、最後成為一個藍色星球，以適宜人類居住。
為什麼要去火星
在太陽系八大行星中，火星與地球最為相似。有科學家認為，火星是人類唯一可能實現大規模移居的行星。因此，火星一直是人類走出地月系統開展深空探測的首選目標。通過以往探測，人類發現了火星上存在水的證據，進而，火星上是否存在孕育生命條件以及火星是地球的過去還是地球的未來，成為火星研究重大科學問題。火星還是離地球較近的行星，基於現有航天能力，探測器飛行約7個月就可到達，與更遠的行星和衛星相比，任務周期更為合適。
首次火星探測任務工程副總指揮、國家航天局探月與航天工程中心主任劉繼忠告訴記者，「研究火星的意義不僅在於火星本身，我們可以通過研究火星的演化進而更好地了解太陽系、地球。研究火星對認識與了解地球演變、人類發展具有非常重要的意義」。
據火星探測器抓總研製單位航天科技集團五院深空探測領域專家介紹，國際上對於火星的探測，起步於20世紀60年代，截至今年6月底，國際上共發射了44個火星探測器，但任務成功概率僅為50%左右。
價值數十億元的太空飛行器一個個消失在太空中，這並沒有阻擋人類前赴後繼探索火星的步伐。上世紀90年代至今，國際火星探測以發展新技術與獲得科學發現為主要驅動力，催生了又一個火星探測新高潮，並在技術發展與科學研究等方面取得巨大進步。其中，在技術發展水平方面，國際上已實現對火星的飛掠、環繞、著陸、巡視探測，技術難度更大的採樣返回與載人探測仍有待突破技術瓶頸。
在科學研究成果方面，國際上通過不同探測形式與任務，在火星軌道運動規律與參數、火星大氣、火星地形地貌與地質構造等多方面取得了巨大成就。特別是水的發現，極大激發了人們在火星上尋找生命的熱情，成為近期國際深空探測的熱點。這些探索與成就為我國首次火星探測樹立了前進方向，也向我們探索火星提出了挑戰。
回望我國火星探測歷史，其實早在「嫦娥一號」任務取得圓滿成功之後，業內專家即開始謀劃我國深空探測後續發展。2010年8月，8位院士聯名向國家建議，開展月球以外深空探測的綜合論證。國防科工局立即組織專家組開展了發展規劃與實施方案論證，多位院士、國家航天局專家積極參與論證工作，對實施方案進行了3輪迭代深化，在綜合考慮航天技術能力與國際火星探測發展趨勢基礎上，終於2016年1月正式立項實施。
一次實現「繞、著、巡」
火星相對地球距離較為遙遠，這對發射、軌道、控制、通信與電源等技術都提出了很高要求。考慮到風險、成本等因素，科學家霍曼於1925年提出「霍曼軌道」概念——這條軌道是地球太空飛行器到達火星的最佳路線。由於該軌道每26個月才出現一次，且最近「霍曼軌道」形成時間為2020年夏季，因此，今年，中國、美國、阿聯等競相加入「探火」大軍。
中國作為火星探測的後起之秀，起步雖晚，但起點高、跨越大，從立項伊始就瞄準世界先進水平確定任務目標，明確提出在國際上首次通過一次發射，完成「環繞、著陸、巡視探測」三大任務。如果這一目標能夠順利實現，我國將成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家。
然而，面對遙遠而未知的星球，「天問一號」奔赴火星的旅程中不可避免要經受新環境的考驗。就現有資料顯示，有關火星上稀薄大氣、風場、塵暴、火面地形地貌等基礎數據非常少，且不確定性大，嶄新的行星際空間環境使得原本風險極高的探測任務難度更上一層樓；而最長旅途4億公裡的遠距離，以及大時延等火星新約束條件，對探測器自主能力要求非常高。這對於火星成功進入與著陸、測控通信、火星車能源、熱控、火面移動等一系列設計，以及電子產品的工藝、環境適應性等方方面面帶來巨大挑戰與不確定性。
航天科技集團五院深空探測領域專家介紹，他們抓總研製的「天問一號」火星探測器，由環繞器與著陸巡視器組成，重量達5噸左右。其中，著陸巡視器又由進入艙與火星車組成，進入艙完成火星進入、下降與著陸任務；火星車將攜帶6臺儀器，包括探地雷達、光譜相機、小型氣象站等儀器，著陸後將在著陸區開展巡視探測；火星環繞器將攜帶7臺科學儀器，包括高、中解析度相機、光譜儀、磁力計等。
人類探測火星的方式與探測月球的方式基本相似，包括環繞探測、著陸探測、巡視探測、採樣返回探測和載人登陸探測等5種。其中，採用環繞探測方式可以對火星整體普查，甚至實現全球勘測；採用著陸探測與巡視探測方式可以對火星開展區域性詳查；採用採樣返回探測與載人登陸探測方式可以對火星開展區域性精查。它們按前後順序來說，技術難度越來越大，因此一般都採用循序漸進的方式，先環繞探測，然後著陸探測、巡視探測、採樣返回探測，最終載人登陸探測。
在人類探月曆程中，上述探測方式均採用過，但每次發射基本僅採用一兩種。與月球探測相比，火星與地球間距離遙遠得多，因而探測火星的難度也大得多。至今，人類對火星的探測只採用過環繞探測、著陸探測、巡視探測方式，未來目標是對火星開展採樣返回探測與載人登陸探測，但難度、投資和風險都將很大。
一次發射完成多種探測的好處是可以「少花錢，多辦事」，但技術複雜，風險很大，所以一般很少採用。目前，只有美國的海盜1號與海盜2號火星探測器成功實現通過一次發射完成環繞探測和著陸探測。歐洲曾兩次開展類似的火星探測活動，均只完成了環繞探測，著陸探測則以失敗告終。
奔火之路「胖五」助力
運載火箭是開展一切航天活動的前提與基礎。如果說，擁有運載火箭是加入「太空俱樂部」的入場券，那麼運載火箭的運載能力則決定了火箭在俱樂部中的會員等級。
將重達5噸的探測器送往遙遠的火星，需要有更大運載能力的火箭。在我國現役火箭俱樂部中，目前只有超級會員「胖五」能擔此重任。
「胖五」，即長徵五號運載火箭，因其粗壯外形被網友親切地稱為「胖五」。它不僅是我國最高、體積最大的火箭，也是運載能力最強的火箭——起飛質量約870噸，具備近地軌道25噸、地球同步轉移軌道14噸運載能力。因此，它可以把5噸的載荷送入地火轉移軌道，令一次發射實現對火星繞、著、巡3類探測成為可能。
「胖五」助力探測器奔火一共分幾步？打一個比方，一位司機從家中出發前往目的地有3個步驟：啟動汽車、開車、停車。從地球出發前往火星也需要3個步驟：擺脫地球引力與稠密大氣、進入太陽系內星際空間，最終到達火星並落在上面。
「胖五」提供的發射能量將是探測器飛往火星的主要能量來源。為完成第一步「擺脫地球引力與稠密大氣」，「胖五」首次飛出11.2千米/秒的第二宇宙速度，託舉「天問一號」完全脫離地球引力，奔向火星。第二宇宙速度也稱為逃逸速度，達到這一速度的太空飛行器將成為圍繞太陽運行的人造行星。
在地火轉移軌道上，探測器與運載火箭分離。這時，漫長的探火之旅才正式開啟。在此過程中，探測器大約還要飛行7個月，飛行旅程數億千米，期間經過不斷修正軌道偏差，最終才能抵達火星軌道。最後，完成了光榮使命的「胖五」火箭將節節分離，殘骸最終掉落公海，不會對環境造成任何威脅。
探火之旅步步驚心
把火星探測器送上太空只是萬裡長徵第一步，探測器還要面臨地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸等多個階段，可謂步步驚心。
首先，探測器需要在靠近火星附近時實施制動，實現被火星的引力場所捕獲，進入周期約10個火星日的環火橢圓軌道。接著，探測器會擇機實施降軌機動，而後，著陸巡視器將會完成與環繞器的分離。
接下來，著陸巡視器終於出場了，但等待它的將是更嚴酷的考驗。著陸巡視器奔向火星的過程中，最大的難點在於「恐怖7分鐘」，即再入、下降與著陸過程中，著陸巡視器的時速需要在7分鐘內從1.8萬千米/小時的速度降低至0，這就像一列比高鐵列車最快時速還要高50倍的列車，突然進行緊急剎車，稍有不慎，高速行駛的火星車便會粉身碎骨化為灰燼。
經歷了上述考驗後，降落傘將幫助火星車減速。隨後，著陸巡視器將開啟全自動駕駛模式，自主完成減速、懸停，避開火星表面複雜地形後，緩緩降落至火星表面。即便經歷重重困難登陸成功，火星車還要穿越崎嶇不平、坑坑窪窪的地形，經歷強風與大範圍沙暴，承受火星表面強烈宇宙射線照射等困難。
後續，火星車將會開展為期3個月的火星表面巡視探測。我們的科學目標是：研究火星形貌與地質構造特徵、研究火星表面土壤特徵與水冰分布、研究火星表面物質組成、研究火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵、研究火星物理場與內部結構，從而建立起對火星全面而基礎的認識。
劉繼忠介紹，通過實施首次火星探測任務，我國將突破火星制動捕獲、長期自主管理、火星表面巡視等關鍵技術，實現火星環繞探測與巡視探測，獲取火星探測科學數據，實現我國在深空探測領域的技術跨越。特別是在遠距離測控通信方面，我們對深空網站開展改造和建設，具備了深空測控的基本能力；還建立了一套完整深空探測工程體系，包括設計、製造、試驗、飛行任務實施、科學研究、工程管理以及人才隊伍，推動我國深空探測可持續發展。(經濟日報·中國經濟網記者 姜天驕)
來源：中國經濟網—《經濟日報》