登陸火星，盛宴啓幕！發射窗口再度來臨，各國掀起新一輪火星探測器發射高潮_風聞

來源：文匯報  2020-7-21

作者：鄭永春 （中國科學院國家天文台研究員）

從遠隔4億千米到相距6200萬千米，今年10月，火星將再次來到與地球非常接近的位置。就在最近，26個月出現一次的火星探測器發射窗口期又一次開啓，人類將迎來新一輪的火星探測器發射高潮。我國首個火星探測器“天問一號”也將在這個“窗口”發射。

從古至今，人類對火星這顆神秘的紅色行星的探索，從未停止。尤其是最近幾十年，航天技術發展日新月異，“登陸火星”正成為世界各國爭相實現的深空探測目標。

為了探測火星，早在60年前，人類就開始發起各種火星探測任務。在各種類型的火星探測任務中，登陸火星無疑是其中難度最大的，代表了當今火星探測的最高水準。

按照計劃，中國首次火星探測任務“天問一號”將在7月下旬到8月上旬擇機發射，一次性完成“繞、落、巡”三大任務。“天問一號”上搭載有一輛中國人自主研製的火星車，計劃於2021年初登陸火星，這意味着我國將向登陸火星這一高難度“探火”任務發起挑戰。

26個月一次

“探火”發射窗口開啓

從地球化學專業角度來説，再多的遙感探測，都比不上1克火星岩石帶給我們的信息豐富。發射探測器登陸火星，從火星上取樣回到地球，可以最直接地帶回火星上是否有生命的確切信息。

可是，火星距離地球太遠了。這個與地球一樣沿着橢圓形軌道繞着太陽轉的紅色行星，最遠的時候距離地球超過4億千米，最近時也相距約5500萬千米。

由於火箭的推力有限，為了節省能量，航天器從地球到火星，要沿着拋物線的霍曼轉移軌道才最省燃料。這就要求火星探測器從地球上起飛時，火星恰好處於地球前方約44°的相對位置。因此，每隔26個月才會出現一個發射機遇期，每次時長約在一個月左右，這就是火星探測器的“發射窗口”。

這幾天，火星到地球的距離約為1.1億千米，且正在以每秒18千米的速度接近地球。7月23日，火星探測器的發射窗口期開啓，地球和火星的距離將縮短到1億千米。這段時間前後，包括“天問一號”在內的數個火星探測器都已整裝待發。

今年10月14日前後，火星與地球之間的距離將縮短到6200萬千米，是兩者相對最接近的時候。此時，火星、地球、太陽將在太空中排成一條直線，這就是天文學上的“火星衝日”，也是從地球上觀測火星的最佳時機。而今年，當人們在地球上觀測火星時，包括“天問一號”在內的各國火星探測器可能正在奔向火星。

困難重重

各國火星計劃命運多舛

航天是一個系統工程，涉及數百家甚至上千家單位，但火星探測器的發射時間卻很難推遲，這就給工程的組織、實施、協調帶來了較大難度。此外，遙遠的距離也給航天器的通信、測控帶來了極大困難。

地球到月球的平均距離為38萬千米，但地球與火星之間的距離最遠達4億千米，無線電波以光速傳播，單程就需要將近23分鐘。也就是説，從地面上發一個指令給“天問一號”，它要在23分鐘之後才能執行；而地球上的工程師收到指令的執行結果，則要到將近一個小時之後。因此，縱觀人類火星探測任務的執行歷史，完全成功的不足50%。

不過，越是困難越向前。早在20年前，美國宇航局就曾計劃於2007年發射一輛火星車，採集岩石樣品送回地球。由於受到經費限制，這一計劃只能被擱置起來。

今年，美國將再探測火星，準備將一輛以尋找生命相關標誌物為探測重點的火星車“毅力號”送上火星，希望能回答“火星上究竟是否有過生命”這一科學問題。“毅力號”還將攜帶43根樣品管，將採集到的岩石和土壤樣品妥善封裝，等2030年前後的下一次火星探測任務時，把樣品帶回地球。

▲美國航空航天局和歐洲航天局提出的火星樣本返回任務概念圖，由探測器收集岩石土壤樣本，並將其儲存在密封管中發射返回地球。圖片來源：NASA/JPL

在航天任務中，歐洲既跟美國合作，也跟中國和俄羅斯合作。2016年，歐洲和俄羅斯已經合作過一次火星探測任務，雖然成功將軌道器送入環繞火星軌道，但一同奔赴火星的着陸器“斯基亞帕雷利號”卻最終墜毀。此後，雙方再次合作，由俄羅斯研製着陸器，歐洲空間局研製火星車，兩者合體前往火星。這輛採用太陽能發電的火星車，將鑽入地下兩米深處進行採樣分析。科學家相信，那裏可以屏蔽火星表面的嚴酷環境，或許還保留着遠古時代形成的微生物。然而，或許由於新冠疫情的影響，今年3月12日，歐空局和俄羅斯宇航局突然宣佈該任務推遲兩年。

預計本月晚些時候，阿聯酋“希望號”火星探測器將經由日本H-2A火箭發射升空，並於明年2月在阿聯酋成立50週年之際抵達火星軌道。進入軌道後，它將圍繞火星運行約一個火星年，收集關於火星氣候和大氣層的最新數據。這顆衞星的主要功能是收集火星上的氣象數據，這些數據將於明年八九月間公開。

“天問”待發

將一次性完成“繞落巡”

今年的火星探測競賽中，中國探測器的身影——“天問一號”，格外引人注目。

探測火星，中國幾經周折。在過去十幾年中出現的幾個火星探測器發射窗口，自主火星探測計劃數次被提及，卻一再推遲。2007年，嫦娥一號探月衞星發射成功之後，我國曾經論證過把它的備份星，也就是後來的嫦娥二號，經過改造後去探測火星的可行性，但由於受當時條件限制而未能實現。2011年，我國曾在俄羅斯的航天器上搭載過一個火星探測器“螢火一號”，由於俄方火箭發射故障，未能成功奔赴火星。

今年4月24日第五個“中國航天日”，備受關注的中國首次火星探測任務名稱、任務標識正式公佈。中國行星探測工程被命名為“天問”系列，首次火星探測任務命名為“天問一號”，後續行星探測任務依次編號。“天問”這一名稱源於2300多年前愛國詩人屈原寫的長詩《天問》，表達了中華民族追求真理、探索未知的文化傳承。

（圖片來源：國家航天局）

“天問一號”是中國繼探月工程之後，踏出自主探測火星的第一步，將首次拉開行星探測的大幕。根據計劃，我國首次火星探測任務將綜合採用環繞、着陸、巡視探測三種方式——既有軌道器環繞火星，又有着陸器登陸火星，還有火星車巡視火星表面。其他國家要通過兩三次任務才能實現的目標，中國將一次性完成。這種組合探測技術更復雜，任務難度更大。

經過七八個月的“趕路”，“天問一號”計劃於2021年初抵達火星，然後擇機釋放着巡組合體，進入火星大氣層，實現登陸火星。它攜帶的火星車搭載了多台科學儀器，將探測着陸區的流水地貌、火山地貌、風蝕地貌、撞擊坑地貌，分析表面物質的成分，並測量氣象參數，探測地下結構。

20世紀30年代，著名作家老舍發表了長篇科幻小説《貓城記》，就是以火星作為故事發生的場景。如今，火星與中國的距離正在從科幻變成現實。火星上這輛源自中國的小車，承載了中國人對紅色星球的夢想，它將讓中國在火星探測領域，從看台上的觀眾變成航天競技場上的選手。

>>>延伸閲讀

火星探測“馬拉松”

從1960年蘇聯發射人類歷史上第一個火星探測器 “火星1號”開始，人類的火星探測之路至今已走過了60年。

“火星1號”並沒有成功，此後火星探測又經歷了連續五次失敗。直到1965年，美國發射的“水手4號”才首次成功飛越火星，傳回了幾張模糊的火星照片。

迄今為止，全球共進行了40多次火星探測任務，其中既有環繞火星的軌道器進行遙感探測，也有着陸器登陸火星表面進行定點探測，還有四輛小車在火星表面進行了巡視勘察。

▲從左至右：在美國航空航天局噴氣推進實驗室陳列的“勇氣號”“索傑娜”和“好奇號”火星探測器的1:1模型，中為“好奇號”項目科學家阿什温·瓦薩瓦達。 圖片來源：NASA/JPL

探路先鋒“索傑娜”

2015年上映的科幻大片《火星救援》中，主角馬克在火星上找到一輛上世紀90年代登陸的火星車。這輛火星車並非憑空捏造，是在1996年發射升空、1997年7月4日登陸的火星車“索傑娜” （也譯為“旅居者號”）。這個女性化的名字，是為了紀念一位曾經的黑奴索傑娜·特魯斯。在美國南北戰爭期間，她積極反對奴隸制度，爭取婦女權利。

“索傑娜”是火星探路者號計劃的一部分，其設計壽命僅一週，而且它走得很慢，最快時也只有1釐米/秒。它還有一個重要缺陷，只能通過着陸器轉發信號與地球通信。不過，作為第一代火星車，“索傑娜”雖然只有10.6千克重，功能簡單，走得也不遠，但它卻為此後更復雜、功能更強大的火星車擔當起了“探路先鋒”的重任。

火星車“雙胞胎”

分別於2003年6月10日和7月7日發射的“勇氣號”和“機遇號”，是一對“雙胞胎”火星車，不僅外形長得一模一樣，連攜帶的探測設備也完全相同。它們分別於2004年1月4日和1月25日先後登陸火星。

作為第二代火星車，“勇氣號”和“機遇號”重約170千克，是“索傑娜”的16倍。作為機器人“地質學家”，這對“雙胞胎”攜帶了更多的儀器設備，其主要目的是分析火星岩石的物理特性、化學成分和礦物組成。

▲“機遇號”火星車在離開登陸點，開啓宇宙馬拉松之前，最後一次回望着陸器。圖片來源：NASA網站

這是一款低成本航天器，“勇氣號”和“機遇號”的設計壽命只有3個月（90個火星日，1個火星日為24小時37分鐘）。最終，“勇氣號”卻運行至2010年，工作了6年多，跑了7.7千米；“機遇號”更是一直運行至2018年，比設計壽命超出近60倍，在火星上總計跑了45.16千米，堪稱宇宙“馬拉松”冠軍。

火星科學實驗室

“好奇號”是第三代火星車。這個名字是12歲的華裔女孩馬天琪給它取的暱稱，它真正的名字叫“火星科學實驗室”，配備了全套實驗設備，能夠獨立完成地球上普通巖礦實驗室裏的常規分析任務。

“好奇號”的外形類似一輛私人轎車，重約900千克。它沒有太陽能電池板，採用同位素温差發電機，通過放射性元素的衰變進行發電，是第一輛沒有“翅膀”的火星車。

“好奇號”設計壽命兩年，自2012年8月登陸至今，始終狀態良好，是目前唯一仍在正常運行的火星車。在登陸火星的這段時間裏，“好奇號”獲得了很多有意思的發現。比如，它發現過一片可能被水流搬運過的鵝卵石，又在火星大氣中檢測到了含量不高的甲烷，還從土壤中檢測到多種不同的有機物。每天，地球人都可以收到它發來的火星氣象報告。