李會超：火星，為什麼中國一定要去？

【文/觀察者網專欄作者 李會超】

在東方紅一號成功發射50週年的日子，我國公佈了航天工程下一個里程碑式的任務——“天問一號”，即火星探測。而“天問”也成為了我國行星探測任務的共同名稱。從“天問”的任務標誌看，未來中國的探測器不只將光顧火星，太陽系的其他大行星和衞星也將是我們的探測目標。

目前，大部分航天器主要工作在地球附近，已經能夠直接服務社會生產生活，提供通信、導航、對地觀測等服務。近地空間的航天應用已經從早期前瞻性的技術試驗領域轉化為實行化、商業化的領域，目前相對成熟。而目前空間探測的前沿，則是遠離地球、去往其他天體的深空探測。

從美國等航天強國的發展歷程看，月球是深空探測的第一站。通過嫦娥探月計劃的成功實施，我國已經掌握了對月球進行環繞、降落和巡視探測的相關技術，除了月兔號月球車在工作期間出現意外這一插曲外，整體上説嫦娥任務計劃進行的相當成功，還在鵲橋號中繼衞星的幫助下實現了人類月球背面的首次着陸。

月球之後，人們選擇下一個目標往往是火星。在太陽系中，地球的近鄰是火星與金星，都可以作為月球之後的下一個備選目的地。然而，無論從科學研究角度還是未來對行星的開發利用角度講，火星是比金星更加理想的選擇。

火星全貌

對於生命體來説，火星的環境要比地球惡劣不少。火星的大氣相對稀薄，且主要成分為二氧化碳。大氣中存在着強沙塵暴等惡劣天氣，平均温度約零下數十度。火星沒有較強的內稟磁場，無法像地球一樣提供對於太陽高能粒子提供足夠的抵禦。

但相對於其他行星來説，火星與地球的相似度又是最高的。火星軌道之外的大行星均為氣態巨星，它們甚至沒有一個可以讓我們穩定站立的固體表面，形態與地球有根本上的不同。而對於地球軌道以內的金星和水星來説，由於距離太陽太近，一方面白天時行星表面温度相比地球高的太多，另一方面太陽的潮汐鎖定也使得它們自轉一週的時間太長。比如，金星上的一天相當於地球上的兩百多天，因此對於同一地區來説，晝夜不會快速變換，將在較長的時間裏處於極寒或極熱的狀態下。

火星上一天的長度僅比地球稍長，和地球一樣在温帶地區有着四季的變化，火星表面的地形地貌和地球也有着比較多的相似。現有研究表明，火星歷史上也許曾經是一顆温暖濕潤的星球，還有可能孕育過生命，然而火星氣候發生的氣候變化使得它成為了如今的樣子。從科學研究的角度講，我們可以從這顆星球表面、內部和附近的空間中，獲取關於它過去和現在變化的信息，從中發現行星演化可能的規律，並由此對地球未來可能的命運有所認知。畢竟一代人或幾代人的生命相對於行星演化的時間週期來説都相當短暫，而火星上恰好可能儲存了這個過程的“紀錄片”。

好奇號火星車拍攝的火星夏普山，如果不加解釋，僅憑圖像看，很有可能被誤認為是地球上的山峯

火星與地球的相似性也使得它成為太空移民的首選目的地。目前，已經有如馬斯克這樣的“極客”在PPT上勾勒未來“火星殖民”的藍圖。雖然這樣的願景何時能夠實現尚不可知，但至少火星移民在理論上是具備可能的。火星上可能存在着大量凍結成冰的水，具有能夠提煉成金屬的礦藏，也有高濃度甲烷出現的區域。這些資源，都可以讓最初的火星移民在從地球運送來的機械和資源的基礎上，在火星就地取材擴大生產，逐步實現自給自足，最終不需再耗費大量成本從地球上運去物資。至於維繫人生存的食品，火星與地球比較接近的氣候，也給在火星進行農業生產提供了可能。植物進行光合作用的原料二氧化碳，是火星大氣的主要組成部分。

SpaceX對於未來火星城市的構想圖

人類對火星的探測主要可以劃分為三個階段。第一個階段開始於上世紀六十年代，以飛掠和着陸探測為主，獲得了關於火星的初步認識。這一時期比較成功的探測器有美國的水手4號和6號、7號，成功飛掠火星後傳回了火星表面的圖片；及美國的維京1號和2號，成功在火星表面着陸並進行探測。由於技術還不成熟，這一時期任務的失敗率較高，不但蘇聯進行的十多次探測一次都沒能成功，美國也有數個探測器犧牲在了飛行的不同階段。

第二個階段主要在上世紀90年代，美國、日本和俄羅斯的幾艘探測器打破了火星探測在80年代的沉寂。這一時期火星飛行的失敗率仍然很高，除美國的火星探路者號和火星全球勘測者號外，美國、俄羅斯和日本的其他8個探測器任務均以失敗告終。

機遇號火星車拍攝的其在火星着陸場附近的情況

進入二十一世紀後，火星探測迎來了大發展。這一時期，環繞火星的探測器和在火星表面着陸和進行巡視的探測器組隊出發，在火星上相互配合，取得了令人振奮的成果。美國的勇氣號、機遇號火星車超設計壽命工作，其裝配的豐富的科學儀器不但為科學家們帶來了大量新發現，還傳回了諸多可以讓大眾身歷其境的火星照片。目前MAVEN、好奇號、洞察號等等後續探測器又在源源不斷的獲得新的成果。得益於深空探測技術在失敗中獲得的進步，進入二十一世紀後火星探測任務的成功率大幅提升。

不同時期在火星表面着陸的探測器

去年10月，我國已經公佈了火星探測器的外觀圖。綜合圖片和有關公開文獻信息，這艘現在已經被命名為”天問一號“的探測器由兩個部分構成，其中上半部分的鈍頭體為着陸器，帶有噴嘴的下半部分為環繞器。在發射後，天問一號將進入地火轉移軌道飛行，着陸器和環繞器在火星附近分離。着陸器落地火星表面，除了對落點就地開展探測外，還會放出巡視器（火星車），對落點附近的區域進行進一步探測。而環繞器則留在環繞火星的軌道上，在進行探測的同時，也充當火星車與地球之間的“信使”，提供通信中繼服務。

我國的火星探測器外觀圖

從問天一號的配置看，本次任務將同時進行環繞、着陸和巡視三種探測。從地球出發，進入地球到火星間的轉移軌道，經過半年以上的飛行時間正常到達火星，本來也不是一件容易的事情，需要解決軌道設計方面，飛行器“自動駕駛”（自主控制）和深空通信等多方面的技術問題。而着陸火星則更加驚險。從航天器開始進行着陸到最終在火星表面停穩，整個過程大概要在8分鐘內完成，但火星到地球的單向通信時間高達15分鐘，發送信號再等待地球返回信號最短也要半個小時，因此探測器必須具備強大的自我管理與控制功能，能夠將一個又一個不能NG的動作全部正常完成，才能安全降落在火星表面。雖然我國火星探測的起步相對於美國、歐洲等要晚，但一旦“天問一號”的任務圓滿完成，將會使我們的探測技術水平站到世界前列。

國家天文台武清站用於火星探測測控的70米天線吊裝成功，這種天線不但能支撐火星任務，也能為其他未來的深空任務提供服務

如果要對距離地球較遠的行星、小行星進行探測，或者像近兩年發射的帕克太陽探測器、太陽軌道器那樣對太陽實施抵近探測，或是去往遙遠的太陽系邊緣進行星際探測，一般需要通過其他行星的借力飛行完成，任務的實施難度更大。只有通過火星探測，掌握了深空探測所必須的軌道設計、高可靠性自動控制、深空測控等方面的技術，才有可能進行難度更大的探測。

總之，如果要想在未來的大航天時代中佔有一席之地，火星，中國一定要去。

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