“螢火一號”：一段不能忘記的歷史丨Calling太空_風聞

編者按：****“浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索”，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設“Calling太空”科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。

我們國家的自主火星探測計劃“天問一號”已成功發射，在這個激動人心的時刻，回想起十幾年前我們提出、研製和發射“螢火一號”的一些往事，這些經驗和教訓也許可以為我國正在從事火星探測的同事們提供一些參考和借鑑。

任務的提出

2005年的十一假期剛過，我收到了一封來自俄羅斯科學院空間所的郵件，這是當時中科院空間中心王赤副主任轉給我的。他的一個在麻省理工學院（MIT）工作時的同事，後來也回到了俄羅斯科學院空間所工作，正在推動俄羅斯再次啓動多年前就實施過（但不是很成功）的火衞一的探測計劃。這次是想更進一步，將火衞一的土壤樣品返回地球，稱為“福布斯-土壤”計劃。考慮到我們和俄羅斯的合作關係非常密切，他們就主動提出，是不是能夠利用發射餘量，將中國的一顆科學小衞星帶到地球空間，作為一個搭載項目。需要明確的是，他們當時並沒有提出要帶我們去火星。

收到這個邀請後，我聯繫了幾個相關領域的空間物理學家和空間探測載荷工程師一起做了認真的分析和思考。首先，我們考慮，如果有去火星的機會，為什麼不能一起去火星呢？在國際上相互搭載，聯合探測的先例有很多。比如，當時剛剛發射不久的地球空間雙星探測計劃，就是我們和歐洲空間局的聯合探測計劃，中方的衞星上搭載了近50%的歐洲科學載荷，而歐洲一個獨立的、包括四顆衞星的科學計劃——“星簇計劃”的數據與我們完全共享，開展聯合探測。又如，就在這個俄羅斯的火衞一土壤返回計劃中，也搭載了多個歐洲國家的科學載荷。中國的深空探測剛剛起步，對月球的探測也才剛剛開始，採用搭載發射的方式去火星，可以大大加快中國進入深空探測的步伐。其次，我們分析了國際上歷次火星探測任務，主要都是針對火星表面的，對火星大氣和空間環境的探測非常少。我們瞭解到，俄羅斯運載的餘量只有110公斤，因此可以利用科學載荷不太重的小衞星來探測火星的大氣和空間環境。最後，中俄在航天領域的合作，正是國家努力推動的合作方向，雙方如果聯合開展火星探測任務，應該是與國家重點支持的戰略方向高度契合的。因此，我們很快就向國家主管部門提出了申請，並得到了批准，同意開始論證工作。

與此同時，我們也在討論如何為這個突如其來的短平快項目命名。在很多建議中，我們選擇了中國古代對火星的稱謂“熒惑”的諧音——螢火。這使得這個項目聽起來很小，彷彿是暗夜中的一個小小的螢火蟲。但實際上，它卻是飛進太陽系，進入深空，奔向火星的一個最小的探測器。與我們國家獨立自主的探月計劃——嫦娥工程相比，它無論是從經費體量上還是從參研隊伍的人數上等各個方面，都無法與之相比。將其稱為“螢火一號”我想也是一個十分低調和不與嫦娥工程爭輝的意思。不過，它的科學目標那麼突出，技術又是那麼先進，應該是深空探測計劃中的一顆名副其實的明星。

中央美術學院著名書法家況尉作品

科學目標

作為一項科學探測計劃，科學目標應該是最主要的部分。其中，我提出的一個重要科學目標，就是與俄羅斯探測器合作，對火星的大氣和電離層開展聯合的掩星探測。這個探測的實施過程是在兩個探測器進入火星軌道並分離之後，從俄羅斯“福布斯-土壤”探測器上發射兩個頻段的無線電波，由我們的小衞星接收其信號。當兩個探測器的連線，也就是無線電電波射線切過火星大氣和電離層時，電波受大氣和電離層密度隨高度變化的影響，將發生彎曲，且不同的波段將出現不同的彎曲和延時。通過對接收信號強弱變化和延時的分析，就可以反演出火星大氣和電離層物理參數的垂直剖面曲線。這將是人類首次如此詳細的探測火星上的大氣和電離層，特別是當電波連線分別切過火星正午和子夜兩個特殊的地理時間上空時，其科學數據將反映火星大氣和電離層變化的兩個極端情況，對全面瞭解火星大氣和電離層的特性非常重要。

此外，空間中心的科學團隊還提出了另一個重要的科學目標。因為國際上的其他計劃都沒有對火星周邊的空間環境進行過磁場和粒子的同時探測，因此不瞭解粒子的運動方向和能量來源。如果在小衞星上同時配置磁強計和粒子（包括電子和低能熱離子）探測儀，就有望揭示更真實的火星空間環境，並測得從火星表面逃逸的氧粒子的流量，從而判斷火星上水的流失總量，推算出“10億年前火星表面上到底有多少水？”這一目前仍然存疑的重大科學問題。

2009年12月29日，筆者在中俄聯合探測火星計劃科學工作隊第二次科學研討會上發言

2010年3月16日至18日，首屆中俄聯合探測火星科學研討會在莫斯科召開

莫斯科談判

2006年2月初，我和空間中心的趙華研究員一同登上了飛往莫斯科的航班。在途中，我們不斷地在討論着，如何才能説服俄羅斯空間所接受我們的聯合探測火星大氣和電離層的方案，然後再和他們一起説服俄羅斯拉沃什金航天企業接受我們一同飛往火星的搭載計劃。我的筆記本上畫滿了兩個探測器在不同的軌道上的連線切過火星大氣層的可能性。飛機在莫斯科降落，那裏剛剛下過大雪，路邊經過清掃堆積起來的雪已經超過一米厚，令我們印象深刻。當晚我們就住在了機場附近的酒店裏。

第二天與俄羅斯科學院空間所的討論非常順利。我們的科學目標和探測方案得到了他們的認可和支持。他們的技術人員馬上開始了掩星探測計劃的各種計算以及射頻發射機的設計思考。當天下午，我們一同來到拉沃什金航天中心，總經理波利舒克和福布斯探測器的總設計師馬克西姆接待了我們。在談判的開始，他們並不是十分相信我們國家可以研製出只有100公斤重的火星探測器，那將是全世界最輕的火星探測器。經過不斷的討論和説服，他們終於認可了我們方案的可行性。期間，他們甚至請來了年紀很大的工程師，和我們一起計算火星到地球通信的方案和發射天線的大小，以及至少需要多大的太陽能帆板等幾個小衞星需要的關鍵的技術參數。最後，他們同意我們一同去火星。當然，還因為有俄羅斯科學院的支持，我們都希望能夠進行一項全世界第一次實施的對火星空間環境的雙探測器聯合探測。

工程研製

從2003年開始，我們國家就和俄羅斯建立了兩國總理定期會晤機制，以及在這個機制下的中俄航天合作聯合委員會。經過幾年的嘗試，合作項目雖然不少，但是都是體量不大的採購合同，沒有聯合的航天任務。我們提出的中俄聯合火星探測計劃，就成為了中俄航天合作中最重要的合作任務。2007年年中，國家航天局做出決定，指定由上海航天局負責承擔火星探測器的研製任務，同時任命我為首席科學家，上海航天局的徐博明總師為工程總師，中科院空間中心負責科學載荷的研製和地面應用系統的建設，於2009年10月搭載俄羅斯“福布斯-土壤”探測器一同飛往火星。

雖説是2009年10月發射，但是俄方要求我們要提前6個月將探測器運到莫斯科開展測試，給我們留下的研製時間只有不到三年。在如此短的時間內，研製一顆沒有任何經驗可以借鑑，又是全世界最小的火星探測器，其技術難度和挑戰是可想而知的。當然，中國航天人在困難面前從來沒有低過頭，我們突破了超高靈敏度應答機、長火影帶來的超低温環境等多個關鍵技術，終於在2009年4月將正樣探測器運抵了莫斯科。

“螢火一號”有效載荷研製現場

“螢火一號”有效載荷交付驗收現場

命運多舛

從“螢火一號”運抵莫斯科開始，我在北京就不斷地聽到前方傳來的俄方進度拖延的消息。到了8月份，我甚至從俄羅斯科學家那邊聽到了他們的“福布斯-土壤”根本趕不上進度，不可能在10月那個窗口發射的“小道”消息。我將信息轉告了正在莫斯科參加測試的試驗隊負責人，他們表示俄方沒有向他們透露任何相關信息。要知道，由於地球和火星軌道的週期不一樣，每25到26個月才有一次最佳的發射窗口。如果2009年10月的發射窗口錯過了，下次窗口只能等到2011年11月了。經過了大約幾個月的隱瞞，拉沃什金航天企業終於在9月20日正式承認，他們無法趕上10月的發射窗口，計劃不得不推遲兩年再發射。這個決定正式宣佈後，我們就只好把“螢火一號”運回上海，等待下一次發射機會。大家不禁感嘆“螢火一號”看來會是個命運多舛的任務啊。

2011年6月，“螢火一號”經過兩年的安全存儲和間斷性的加電測試，被再次運往莫斯科。在拉沃什金和拜肯努爾發射場進行測試表明探測器一切正常。11月9日凌晨3點，搭載着“福布斯-土壤”和“螢火一號”探測器的“天頂號”運載火箭騰空而起。我應邀參加了發射活動。在距離發射塔架大約3至4公里的一個貨運火車站台上，我和試驗隊的隊員們在哈薩克斯坦11月初的嚴寒裏，心情無比激動。經過3年多的研製和2年多的等待，“螢火一號”終於踏上了奔向火星的旅程。與我們在一起的還有很多歐洲的科學家，他們來自法國、荷蘭、英國等國家。這已經是他們第二次，甚至第三次將自己的儀器搭載到俄羅斯的火星探測器上了。之前有福布斯1和福布斯2，以及火星-96，但是隻有福布斯2獲得了幾個月的探測數據，其它兩次均失敗了。福布斯1被認為飛到了火星，但是沒有數據返回。火星-96乾脆就沒有離開地球軌道，還沒有踏上火星之旅就墜毀了。這次大家都抱着極大的希望，希望俄羅斯一改以前火星探測的晦氣，打破魔咒，實現人類共同的科學夢想。看到火箭順利升空，大家的心放下了，坐上俄方安排的班車，回到了酒店，進入了夢鄉。

第二天早上我們陸續來到酒店的餐廳用早餐，逐漸感到有些氣氛不對。慢慢的大家都聽到了一個傳言，福布斯發射後，僅收到了一次遙測信號就杳無音信了。距離發射時間已經過去了5至6個小時了，“福布斯-土壤”在近地軌道上應該已經轉了好幾圈了，有不止一次過境地面站的機會了，如果沒有收到遙測信號，那一定是出問題了。因此，大家都開始議論紛紛，早飯也吃不下去了，都聚集在酒店大堂裏找俄羅斯航天局的人詢問情況。大約上午9點左右，俄羅斯航天局的一位領導出現了，他召開了一個簡短的新聞發佈會。在會上，通過翻譯，我們瞭解到，“福布斯-土壤”確實已經失聯了，並且原定的在近地軌道上點火奔向火星的上面級發動機沒有啓動。通過地面雷達和光學的觀測數據判斷，福布斯仍然在高度大約200公里高的近圓軌道上飛行。

當天下午，我們只能按計劃帶着一頭霧水登上返回莫斯科的專機。在機場候機的時候以及在飛機上，大家仍然議論紛紛，從幾個與俄方內部人員有聯繫的人口中，得到了一些最新的消息。總體上判斷，“福布斯-土壤”的上面級發動機沒有按程序啓動，且測控應答機出了問題，無法與地面取得聯繫，因而也無法接收地面的指令。

到達莫斯科以後，我們馬上向國內報告了情況。按照指示，我們的試驗隊負責人，將留在莫斯科協助俄方進行救援工作。後面的情況大家也許都知道了，福布斯在200公里高的軌道上，孤獨地飛了兩個月後，自然隕落在太平洋裏了。

啓示

“螢火一號”是我這些年來親身參加的各項航天任務中，唯一一次完全失敗的任務。儘管失敗並不是因為我們的錯誤而引起的，但它仍然是一次失敗。作為一個航天科技工作者，經歷一次失敗，比經歷10次成功都更加令人難忘。有一位航天界的老領導説的好：成功就是差一點點兒的失敗；而失敗就是差一點點兒的成功。當你把該做的事兒都做了以後，成功和失敗就在那毫釐之間。但是它給人的感受則是天壤之別。我們在成功的喜悦之後，千萬不能自負，要回味一下哪裏還存在問題；我們在失敗的悲傷之後，也不能氣餒，要看到我們付出的成績並分析失敗的原因。

雖然“螢火一號”沒有實現我們奔向火星的夢想，但是它使中國的空間科學家體驗了通過自主設計的科學目標，登上國際競爭與合作的大舞台的過程。在“螢火一號”之前，我們國家還沒有一個專門研究火星的團隊，甚至還沒有一本關於火星的教科書，哪怕是翻譯的，都沒有。“螢火一號”之後，我們不但組建了相關的科研團隊，翻譯出版了關於火星的教科書，還在之後提出了一系列新的科學目標和探測方案，為今後我國自主火星探測培養了人才隊伍和奠定了基礎。記得在“螢火一號”發射之前，我曾與美國一個優秀的行星探測科學團隊交流，他們開玩笑説，請你們的“螢火一號”不要把科學問題都做完了，給我們也留一些。從中可見他們對“螢火一號”科學目標的先進性是充分認可的。

雖然“螢火一號”沒有實現奔向火星的夢想，但是我們深刻地體會到了火星探測之難。啓動上面級火箭，離開地球軌道奔向火星是第一個難點，這裏必須要考慮到地球軌道的探測器和火星探測器的測控應答機存在明顯的區別。如果自動程序沒有啓動，若想通過深空應答機在近地軌道如此近的距離上上注指令實際上是不可能的。這也許就是對“福布斯-土壤”探測器的救援沒有成功的原因。

雖然“螢火一號”沒有實現我們當時的夢想，但是小小的螢火蟲點燃了中國人奔向火星的激情，我們的航天人在那之後，建立了可以遠達火星軌道的深空測控站，並將“天問一號”本應分兩步、甚至三步走的“繞、落、巡”計劃，合併在一次實施。

當然，路漫漫其修遠，中國人在自主探測深空的征程中一定會遇到各種困難。希望我們的科學家和工程師們，即使遇到了困難也不要氣餒。征服火星比征服月球要難得多，我們必須要有十倍的勇氣和用百倍的努力，才能將中國人的腳步邁進那麼遠的深空，為實現中國人（包括我們這些經歷了失敗的“前浪”）的夢想，做出輝煌的貢獻。

作者系中國科學院國家空間科學中心原主任，“螢火一號”首席科學家。