李忠东
编者按：火星是太阳系中与地球最相似且距离第二近的行星，成为人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。2020年是2年一次的火星年，而在7月中旬至8月中旬的火星发射窗口期，迎来了三国齐聚共同奔赴火星，开启深空探测的新高潮。本期“锐·聚焦”栏目再次将关注的目光投向这颗红色星球，期待在这一轮探测火星的热潮中增进我们的科学认知。
“天问一号”：一次完成“绕落巡”
2020年7月23日12时41分，在海南文昌航天发射场，长征五号遥四运载火箭托举着承担我国首次火星探测任务的“天问一号”探测器直刺苍穹，在天际划出一道金色曲线。运载火箭在飞行了2000多秒后，成功地将探测器送入预定轨道，自此开启火星探测之旅，迈出了我国自主开展行星探测的第一步。“天问”是中国行星探测任务的名称，源于屈原的长诗《天问》，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。
目前“天问一号”工作状态良好，7月27日，北京航天飞行控制中心飞控团队与中国空间技术研究院试验队密切配合，控制探测器在飞离地球约120万千米处回望地球，利用光学导航敏感器对地球、月球成像，获取了“地月合影”。在这幅黑白合影图像中，地球与月球一大一小，均呈新月状，在茫茫宇宙中相互守望。8月2日7时整，探测器3000牛发动机开机工作20秒，顺利完成第一次轨道中途修正，朝火星飞去。根据计划，在2021年2月11-24日探测器将实施本次火星探测第一阶段的任务：环绕火星飞行。接下来，探测器将于2021年4月23日实现第二阶段的目标：降落一台火星车到火星表面，进行长达90天的探索工作。
我国首次执行火星探测任务于2016年1月批准立项，此次任务设立2个工程目标：一是迈出我国行星探测的第一步，突破火星制动捕获、进入/下降/着陆、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术，实现火星环绕探测和巡视探测，获取火星探测科学数据，实现我国在深空探测领域的技术跨越。二是建立独立自主的深空探测工程体系，包括设计、制造、试验、飞行任务实施、科学研究、工程管理以及人才队伍，推動我国深空探测活动可持续发展。
此次“天问一号”火星探测任务的最大亮点是利用一次发射完成环绕、着陆、巡视火星这三大任务，即一次完成“绕、落、巡”，这在人类火星探测史上是前所未有的。“一举三得”的探火方式起点高、效益高，但挑战极大，目前只有美国完成过“一举两得”的探火方式。我国将在深空探测能力上实现跨越式发展，成为世界上第三个探测器在火星着陆和第二个探测器在火星巡视的国家。
“天问一号”有独特的结构和性能特征：它由环绕器和着陆巡视器组成，着陆巡视器又分为进入舱和火星车。在运行到选定的进入窗口后，探测器进行降轨控制，释放着陆巡视器;环绕器则进行升轨控制，进入中继通信轨道，为火星车提供中继通信链路，并开展环绕科学探测。着陆巡视器与环绕器分离后，进入火星大气，通过伞降和反推发动机的减速方式，软着陆于火星表面。火星车从着陆平台上分离以后，就可以在火星表面开展工作了。
探测器共配置13台科学载荷，其中包括轨道器上的7台仪器：2台摄像机、火星轨道地下探测雷达、火星矿物学光谱仪、火星磁场仪、火星离子和中性粒子分析仪以及火星高能粒子分析仪，用于对火星开展全球性、普查性综合探测，并为巡视器提供中继通信链路;火星车上安装有6种仪器：多光谱摄像机、地形摄像机、火星探测器地下探测雷达、火星表面成分检测器、火星磁场检测器和火星气象监测器，用于在着陆区开展区域性、精细性巡视探测。轨道器设计寿命为2年，着陆器及巡视器设计寿命为90个火星日（一个火星日约24小时40分钟）。
“天问一号”火星探测任务是“天问”行星探测计划的第一个任务单元，目标是探测火星表面物质成分、火星磁场及宇宙辐射环境、水冰存在情况、火星气候特征，以及对探测区域内的火星表面进行拍照，从而为科学家进一步了解火星演化提供最新的第一手科学依据，意味着今后我们除了会经常听到来自月球的“声音”外，还会时不时听到火星的“回应”。“天问”系列探测任务还将继续，我国计划在2030年开展第二次火星探测任务，也会继续推动小行星探测和木星、土星等更远星球的探测工程。
阿联酋“希望号”：开展科学研究
2020年当地时间7月20日凌晨13时58分，阿拉伯联合酋长国首个火星探测器“希望号”搭乘H-2A运载火箭在日本种子岛太空中心成功发射升空。探测器长度为2.9米，宽度为2.37米，包含燃料总质量为1.5吨，整体尺寸相当于一辆小型轿车。如果后续进程顺利，探测器预计将经过7个月左右时间，于2021年2月环绕火星轨道运行，对火星大气开展科学研究。进入轨道后，探测器将开启为期一个火星年（约687天）的首期探测任务。如果“希望号”成功进入火星轨道在轨运行，那么阿联酋将成为继美国、俄罗斯、欧洲航天局、印度之后，第5个成功完成火星探测的国家或组织。
“希望号”由阿联酋和美国合作研制，主要任务是拍摄火星大气层的图片，研究火星大气的日常和季节变化。探测器已携带3组研究火星大气层和监测气候变化的设备飞向火星，其中探索多光谱相机用于探测水、冰、沙尘暴、气溶胶和火星大气逃逸等现象，主要服务于火星大气探测;红外光谱仪用于观测沙尘暴、水汽和冰雪，研究火星水循环和气候问题;极紫外光谱仪主要用于测量火星热层，以及气态氢和氧从火星大气逃逸的情况。美方团队认为，阿联酋工程师团队经过这次实战，已具备独立完成某些新探测任务的能力和条件。
“希望号”并不计划在火星着陆，而是在距火星表面2万～4万千米的轨道上环绕火星运行。探测器绕火星运行一周大约需要55小时，将持续围绕火星运行至少2年。“希望号”抵达轨道后，将像气象卫星一样收集火星不同区域在不同季节、不同时间段的全天候气象数据，建立起完整的火星大气变化资料库。相关数据将与全球200多个太空研究中心共享，以帮助研究人员更全面了解和掌握火星的气候条件。这将有助于科学家研究火星干涸之谜，因为过去的研究显示火星曾经和地球一样存在大量的水，也将有利于研究地球大气层的演变。
“希望号”火星探测计划的另一个目的是激发阿联酋和阿拉伯世界年青一代的好奇心和创造力，激发他们对科学和太空的兴趣，为太空科研的持续发展储备人才。从长远来看，探测计划还与阿联酋经济转型战略息息相关，即减少国民经济总量中石油、天然气等传统能源所占比例，通过培养高科技人才，营造一流的科研环境，逐步向高科技、知识型经济转型，以适应未来世界的发展趋势。
美国“毅力号”：寻找古老生命
2020年美国东部时间7月30日7时50分，美国宇航局（NASA）的“毅力号”火星车从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地41号发射场，搭载于由联合发射联盟公司的“Atlas 5号”火箭上发射升空。“毅力号”长约3米（不包括机械臂），宽2.7米，高2.1米，机械臂长约2.1米，重量约为1025千克。从外形上看，它是一个汽车大小的长形六轮漫游车，被称为“火星自动驾驶汽车”，比“好奇号”配备了更先进的自动驾驶系统和更多的弹力车轮。“毅力号”载荷59千克，携带火星环境动力学分析仪、行星X射线仪、火星地下实验雷达成像仪等先进的科学仪器。此外，“毅力号”上搭载的2个麦克风既能收录火星车登陆火星的声音，也可以捕捉得到火星上的风吹草动。若顺利的话，人类将首次听到火星上的声音。
“毅力号”登陆火星后，将寻找古老的微生物生命迹象，探索火星的气候和地质特征，收集岩石和风化层样本并带回地球，为人类登陆和探索火星探路。作为NASA“月球到火星”探索计划的一部分，“毅力号”经过7个月的飞行后，将于2021年2月18日在火星上一个名叫“杰泽罗”的深达250米的陨石坑底部着陆。它将钻探土壤和沉积物样品，并将样品储存起来，以备将来由其他火星任务带回地球。同时，还要进行地质分析和气候监测，探究宇航员在火星恶劣环境中的生存方式。科学家怀疑“杰泽罗”陨石坑在35亿年前是一个湖泊，面积与地球上北美的太浩湖差不多大。在那里，有可能发现有机分子和其他潜在的微生物存在的生命迹象，这意味着当时的环境要比今天的火星更加宜居。
“毅力号”的“腹部”内藏有“机智号”火星直升机。在“毅力号”登陆火星约2个月后，“机智号”才会部署到火星表面，成为首架在另一个星球上进行动力飞行的飞行器。在火星表面探索的初期，“毅力号”和“机智号”团队将寻找潜在的机场，即一块10米见方、相對平坦的区域。该区域内不能有任何的障碍物，并且当“毅力号”降落在一块足球场的距离以外时，可以看到火星直升机的飞行。如果此次任务成功，NASA希望它能带来不同的视觉感受，帮助科学家研究一些火星车不能到达的地方，为星际探索开辟新的途径。“机智号”有4个能以2400转/分的速度旋转的碳纤维螺旋桨片，其转速是地球上速度的8倍，以便在稀薄的火星空气中提供升力。“机智号”此次携带有太阳能电池板、黑白和彩色摄像机、计算机系统和巡航系统。
同时，“毅力号”还携带了宇航服5个不同部位的不同材料样本进入火星，在火星的强烈辐射下进行测试，直接解决宇航员未来应该在火星上穿什么样的宇航服的问题。接下来，NASA计划在2024年前将一男一女两名宇航员送上月球，为将来人类登上火星作准备。更先进的下一代宇航服将保护宇航员免遭辐射伤害，并使他们保持舒适的温度。此外，“毅力号”还携带了聚碳酸酯头盔面罩观察窗的材料样品，以及聚四氟乙烯和聚四氟乙烯涂层样品。
此次“毅力号”还装备了能够进行远程科学研究的其他特殊设备，其中摄像机让科学家在未亲眼看到样品的情况下，研究火星的矿物学和地质化学，数台光谱仪能揭示样品中所含的化学元素，传感器可以测量温度、风速、湿度、压力以及尘埃的大小和形状。“毅力号”携带了名为“火星氧气原位资源利用实验（MOXIE）”的设备，其目的是从火星大气中生成氧气。火星大气中95%是二氧化碳。MOXIE制造的氧气可以作为火箭燃料的助燃剂，为未来在火星上的宇航员返回地球提供条件。
火星探测任务之所以受到如此重视，是因为登陆火星是任何太空强国都需要历经的考验。一次成功的火星探测，可以让一个国家迅速成长为“太空精英俱乐部”的一员。人类为登陆火星所作的各种努力，都将促进其他太空项目的实施。综上所述，我国的“探火计划”是迄今最为复杂的，此举大大增强了我国的太空技术能力，同时提升了我国航天事业在国际上的声望。此外，我国的火星探测计划还与其他任务相互促进，提高我国的自动深空探索能力，促进太空科学的发展。
火星，中国人来了！如今，中国人将以另一种形式向茫茫宇宙发出新时代的“天问”。
