近期，我國(guó)將用“長(zhǎng)征五號(hào)”大型運(yùn)載火箭發(fā)射首枚火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”，舉世矚目。
一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)“繞著巡”
“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)的最大亮點(diǎn)是通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項(xiàng)任務(wù)，即一次完成“繞著巡”。這在人類(lèi)火星探測(cè)史上是前所未有的。
采用這種“一舉三得”的探火方式，起點(diǎn)高、效益高，但挑戰(zhàn)大，目前只有美國(guó)完成過(guò)“一舉兩得”的探火方式。如果成功了，我國(guó)將在深空探測(cè)能力上實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界上第三個(gè)在火星著陸、第二個(gè)在火星巡視的國(guó)家。
至今，人類(lèi)共實(shí)施了44次探火活動(dòng)，其中完全成功的探測(cè)任務(wù)只有19次，成功率約43%；即使算上部分成功的，也僅僅只有23次，成功率約53%。所以，火星被稱(chēng)為“探測(cè)器墳場(chǎng)”。失敗的主要原因是火星距離遠(yuǎn)、環(huán)境新，因此需要攻克一系列難關(guān)，每個(gè)環(huán)節(jié)都不能出現(xiàn)閃失，對(duì)于中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器來(lái)說(shuō)更是如此。
為此，我國(guó)采取了多項(xiàng)新措施、新技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。
例如，發(fā)射火星探測(cè)器要用大推力運(yùn)載火箭把探測(cè)器加速到至少11.2千米/秒的第二宇宙速度，直接進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道飛往火星，否則就需要消耗探測(cè)器自身燃料和較多的飛行時(shí)間來(lái)加速，從而會(huì)影響探測(cè)器壽命。印度在發(fā)射“曼加里安”火星探測(cè)器時(shí)，就是由于運(yùn)載火箭推力小，所以“曼加里安”只能采用后一種方案，多花了很多時(shí)間和燃料才抵達(dá)火星。
我國(guó)將采用“長(zhǎng)征五號(hào)”遙四運(yùn)載火箭發(fā)射“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器。由于“長(zhǎng)征五號(hào)”的地火轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力是5噸，而“天問(wèn)一號(hào)”的質(zhì)量為5噸，所以“長(zhǎng)征五號(hào)”是可以把“天問(wèn)一號(hào)”直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道的。
眾所周知，地球和火星都是繞著太陽(yáng)運(yùn)行，地球在里圈運(yùn)行，運(yùn)行得快；火星在外圈運(yùn)行，運(yùn)行得慢。所以，地球與火星之間的距離是不斷變化的，最近的時(shí)候有5500萬(wàn)公里，最遠(yuǎn)的時(shí)候在4億公里以上。這比地球到月球的距離要遠(yuǎn)100多倍甚至1000倍。由于信號(hào)的強(qiáng)度與距離的平方成反比，而火星距地球太遙遠(yuǎn)，從探測(cè)器上發(fā)出電波經(jīng)過(guò)幾億千米再傳到地球后會(huì)十分微弱，再加上宇宙中的噪聲，所以很容易把傳輸信號(hào)淹沒(méi)掉。
由于天線的直徑和探測(cè)距離成正比，增大天線口徑可以增加探測(cè)距離。為此，我國(guó)探火的測(cè)控通信網(wǎng)采用了直徑較大的收發(fā)天線。這次參與遙測(cè)、遙控“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器的深空測(cè)控系統(tǒng)主要有黑龍江佳木斯66米直徑天線測(cè)控站和新疆喀什35米直徑天線測(cè)控站等，以及甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）分系統(tǒng)和必要的國(guó)際聯(lián)網(wǎng)等。我國(guó)還在天津武清新建了一個(gè)主反射面直徑70米的高性能接收天線，這是亞洲最大的單口徑全可動(dòng)天線，它能可靠地接收“天問(wèn)一號(hào)”發(fā)回來(lái)的科學(xué)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理、解譯和研究。
攻克“恐怖7分鐘”難關(guān)
探測(cè)器在火星表面軟著陸是火星探測(cè)中最難的，要經(jīng)歷“恐怖7分鐘”，先是氣動(dòng)減速段，然后是傘降減速段，接著是動(dòng)力減速段，最后是著陸緩沖段。這幾個(gè)階段都必須嚴(yán)格按程序執(zhí)行，否則“滿(mǎn)盤(pán)皆輸”。
為了安全著陸火星，2019年11月14日，我國(guó)在位于河北懷來(lái)亞洲最大的地外天體著陸綜合試驗(yàn)場(chǎng)，成功模擬了著陸器在火星重力環(huán)境下（火星重力加速度約為地球的1/3）懸停、避障、緩速下降的過(guò)程，對(duì)其設(shè)計(jì)正確性進(jìn)行了綜合驗(yàn)證，也為火星探測(cè)任務(wù)的如期實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
由于火星環(huán)境復(fù)雜、惡劣，探測(cè)器在著陸后也不是萬(wàn)事大吉。例如，因?yàn)榛鹦翘綔y(cè)器遠(yuǎn)離太陽(yáng)，它所受到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大大減弱；而且火星上溫度很低，赤道上的平均溫度只有-23°C，這些對(duì)火星車(chē)的能源系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等提出了很高的要求。
據(jù)我國(guó)火星車(chē)專(zhuān)家賈陽(yáng)撰文介紹，我國(guó)火星車(chē)除裝有光電轉(zhuǎn)換效率較高的4塊太陽(yáng)電池板外，在其頂部還裝有一個(gè)像雙筒望遠(yuǎn)鏡樣子的設(shè)備，叫作集熱窗，它可以直接吸收太陽(yáng)能，然后利用一種叫作正十一烷的物質(zhì)儲(chǔ)存能量。白天，火星溫度升高，這種物質(zhì)吸熱融化，到了晚上溫度下降，這種物質(zhì)在凝固的過(guò)程中釋放熱能，這樣效率可以達(dá)到80%以上。
探索人類(lèi)未來(lái)“第二個(gè)家園”
火星是太陽(yáng)系中與地球最相似且距離較近的行星。例如，火星的一天約為24.6小時(shí)，與地球十分接近；火星自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道面傾角約為65°，所以存在四季變化，這也和地球相似；火星大氣很稀薄，以二氧化碳為主，壓力大約只有地球的1%；雖然火星表面溫度平均僅為-63℃，但夏天陽(yáng)光直射區(qū)域溫度可以上升到約20℃，赤道附近的極端最高溫度則有可能達(dá)到30℃左右。
因此，從全人類(lèi)的高度講，探測(cè)火星、了解火星的起源和演化，有助于人類(lèi)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球和太陽(yáng)系的形成和演化，預(yù)測(cè)地球的未來(lái)變化趨勢(shì)，促進(jìn)人類(lèi)對(duì)地球生命乃至太陽(yáng)系的起源和演化的研究，以及了解人類(lèi)在宇宙中的地位和最終命運(yùn)。
了解火星本身也很重要。因?yàn)榇罅扣E象表明，火星以前很可能與目前的地球一樣，只是經(jīng)過(guò)幾十億年的演化才變成大氣層稀薄、溫度較低、水源枯竭等今天這個(gè)樣子。所以不少天文學(xué)家推斷，火星可能是地球的未來(lái)。因此，深入探測(cè)、了解火星，對(duì)研究地球的演變，防止它變成人類(lèi)難以生存的家園具有促進(jìn)作用。
從更長(zhǎng)遠(yuǎn)看，地球?qū)?lái)很有可能會(huì)遭受地外星球的撞擊而毀滅。因此有些科學(xué)家認(rèn)為可先把火星改造成適合人類(lèi)居住的第二個(gè)家園，然后向火星移民。為此，現(xiàn)在就必須逐漸全面而深入地了解火星才行，為改造火星、建造火星基地奠定基礎(chǔ)、做好準(zhǔn)備。所以，探測(cè)火星意義重大。
“天問(wèn)一號(hào)”使用大量“黑科技”
近些年來(lái)，隨著科技、經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)已在月球探測(cè)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為技術(shù)難度更大的火星探測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)探測(cè)火星，能深化我國(guó)對(duì)火星乃至太陽(yáng)系的科學(xué)認(rèn)知，推進(jìn)比較行星學(xué)等重大問(wèn)題研究，掌握火星的第一手信息，加速我國(guó)重大原創(chuàng)性的空間科學(xué)成果問(wèn)世，為人類(lèi)全面而深入認(rèn)識(shí)火星做出自己的貢獻(xiàn)，使我國(guó)由火星知識(shí)的使用國(guó)逐步變成火星知識(shí)的產(chǎn)生國(guó)。
“天問(wèn)一號(hào)”的環(huán)繞器攜帶了7臺(tái)科學(xué)載荷，可用于對(duì)火星開(kāi)展全球性、普查性綜合探測(cè)，并為巡視器提供中繼通信鏈路；火星車(chē)攜帶了6臺(tái)科學(xué)載荷，可用于在著陸區(qū)開(kāi)展區(qū)域性、精細(xì)性巡視探測(cè)。所以，從科學(xué)上講，“天問(wèn)一號(hào)”是對(duì)火星形態(tài)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、空間環(huán)境、土壤和水冰分布等進(jìn)行研究的最全面的任務(wù)。
另外，通過(guò)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)火星，不僅能極大拓展我國(guó)對(duì)火星的認(rèn)知，而且可以牽引和帶動(dòng)我國(guó)航天和相關(guān)高科技技術(shù)的快速發(fā)展。這次火星探測(cè)起點(diǎn)很高、難度極大，必須采用許多新技術(shù)才行，因此它帶動(dòng)了不少新技術(shù)、新材料和新器件的發(fā)展，促進(jìn)了大批創(chuàng)造性的發(fā)明和技術(shù)應(yīng)用。
據(jù)悉，在“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器中，就使用了我國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)的多項(xiàng)“黑科技”，例如，火星車(chē)使用的熱控材料是新型保溫材料——納米氣凝膠，它很輕，隔熱性能很好。這些新技術(shù)、新材料和新器件等反過(guò)來(lái)又可用于國(guó)計(jì)民生，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人類(lèi)生活質(zhì)量改善提供源源不斷的創(chuàng)新活力。
