通往火星的旅程
南方周末特约撰稿 鞠强
火星车导航相机拍摄的火星车尾部及火星表面。 国家航天局 ❘图
★随着“祝融号”在火星上踽踽独行并陆续传回图像数据，中国已成为继美国之后世界上第二个成功着陆火星并开展探测工作的国家。
2021年5月15日7时18分，“天问一号”火星探测器成功在火星表面着陆。这是我国首次实施火星着陆任务，我国也成为继苏联和美国之后第三个探测器成功在火星着陆的国家，中国深空探索进入新的时代。
十年磨剑
在太阳系的八大行星中，火星与地球最为相似。科学家研究火星，希望能够破解太阳系的起源和演化以及地外生命是否存在等重大问题，同时探索移居地外的可能性。因此，火星成为人类探索太空的优先目标。
1960年，人类开启探索火星的征程，但苏联发射的两台探测器都没能离开地球。1965年，美国的“水手4号”飞掠火星。1971年，美国的“水手9号”成为首个环绕火星的探测器。1975年，美国的“海盗1号”和“海盗2号”成功在火星表面着陆。1996年出发的美国“探路者号”着陆器成功在火星表面着陆，并且释放“旅居者号”火星车，这是人类第一辆火星车。飞掠、环绕、着陆和巡视也代表了目前火星探测的四种主要类型。
在人类探索火星的最初半个世纪里，美国、俄罗斯（苏联）、欧洲、印度和日本纷纷实施了火星探测计划，却几乎没有中国人的身影。直到21世纪初，随着嫦娥探月工程立项，中国人真正意识到，向另一颗星球进发的时代正在到来。2007年10月24日，“嫦娥1号”发射升空。在“嫦娥1号”取得成功后，专家就开始谋划我国深空探测的后续发展。2010年，8位院士联名向国家建议，开展月球以远的深空探测的综合论证。2016年1月11日，中国首次火星探测正式立项。
2016年两会期间，中国科学院院士叶培建透露，中国准备在2020年发射火星探测器。2016年8月23日，“中国火星探测工程名称和图形标识全球征集活动”新闻发布会在北京召开，会上首次公布中国第一个火星探测器和火星车外观设计构型。2019年11月14日，首次火星探测任务着陆器悬停避障试验在河北省怀来县完成，此次试验是我国火星探测任务首次公开亮相，试验模拟了着陆器在火星环境下悬停、避障、缓速下降的过程，对其设计正确性进行了综合验证。
2020年4月24日，国家航天局在2020年中国航天日线上启动仪式上宣布，中国行星探测任务被命名为“天问”（Tianwen）系列，首次火星探测任务被命名为“天问一号”，后续行星任务依次编号。“天问”取自中国古代伟大诗人屈原的《天问》，十分贴合数千年来中国人对苍穹求索的历程。命名规则也透露出，火星探测只是中国未来将要进行的行星探测的起点，其他行星也将迎来中国的“客人”。
地球和火星之间每隔26个月有一个发射窗口。在此前几个发射窗口中，都有前往火星的探索任务，而2020年7月底到8月初的这个发射窗口，更是格外热闹。除了中国的火星任务外，阿联酋的“希望号”火星探测器和美国的“毅力号”火星探测器也都先后启程前往火星。
有备而来
在2020年的这个发射窗口，各国根据自身的情况和目标选择了不同的方案。美国的任务是巡视，阿联酋的任务是环绕，而中国的任务则是多步并作一步，包括环绕、着陆和巡视。这既是中国首次火星任务的难点，同时也是创新点。美国基本上是分开完成各种类型的任务，而欧洲航天局两次挑战“绕、落、巡”也都没有成功。一次实现三个目标，是其他国家第一次实施火星探测时前所未有的，挑战也是空前巨大。
“天问一号”探测器的设计也服务于这个目标。探测器重约5吨，由一个轨道器和一个着陆巡视器组成。轨道器为巡视器提供中继通信链路，同时本身进行为期1个火星年（约1.88个地球年）的科学观测。着陆巡视器在火星表面进行软着陆，候选着陆点为位于火星北半球的乌托邦平原，这个区域可能是一个古海洋所在地，有很高的科学价值。依靠太阳能提供能量的巡视器（火星车）重约240千克，质量几乎是“玉兔号”月球车的两倍，预计将在火星表面工作90个火星日（1个火星日约合24小时39分钟）左右。
虽然这是中国第一次独立开展火星探测，但起点高，制定了丰富的科学目标。“天问一号”的主要任务是利用轨道器对整个火星进行全面广泛的勘测，并将巡视器送到有科研价值的表面位置，进行高精度、高分辨率的详细调查。具体来说，“天问一号”的科学目标主要有5项，分别是绘制火星形态和地质结构图、调查火星表面的土壤特征和水冰分布、分析火星表面的物质组成、测量电离层和火星地表气候及环境特征以及探索火星的物理场（电磁场、引力场）和内部结构。
为了配合科学目标的完成，“天问一号”一共携带了13种有效载荷。轨道器上的7台仪器包括两台相机、火星轨道次表层探测雷达、火星矿物学光谱仪、火星磁力仪、火星离子和中性粒子分析仪、火星高能粒子分析仪。巡视器上的6台仪器包括多光谱相机、地形相机、火星巡视器次表层探测雷达、火星表面成分探测器、火星磁场探测器和火星气象监测仪。这些仪器将共同帮助中国科学家第一次直接了解火星大气、地形、磁场和内部结构等信息。
2020年7月23日，“天问一号”在海南文昌航天发射场由长征五号遥四运载火箭发射升空，正式踏上奔向火星的旅程。2021年2月10日，经过近6个半月的飞行，“天问一号”经过近火制动顺利进入环绕火星的轨道，成为中国首颗进入火星轨道的探测器。
创造历史
2021年4月24日，又是在中国航天日这一天，国家航天局宣布首辆火星车命名为“祝融”。祝融在中国传统文化中被尊为最早的火神，此次命名寓意点燃我国星际探测的火种，指引人类对浩瀚星空、宇宙未知的接续探索和自我超越。
在进入火星轨道后，“天问一号”开始通过携带的相机对乌托邦平原进行观测，进一步考察着陆区的地形，选择平坦的着陆区。同时，“天问一号”也在了解着陆区的天气情况并作出预报，挑选适合的着陆时间，以避免被火星巨大的沙尘暴所干扰。根据此前的火星气象数据，火星沙尘活动集中在下半年，北半球在春夏期间比较宁静。综合各种因素之后，科研人员最终选择在5月中旬着陆，确定了5月15日凌晨开始的着陆窗口。
在这个火星探测窗口中，阿联酋选择了环绕的方式，此前成功发射过火星探测器的印度选择的也是环绕的方式。除了科学目标不同外，一个重要的原因就是在火星实施着陆探测有非常大的难度。苏联的“火星3号”完成过一次接近成功的软着陆，美国国家航空航天局（NASA）成功过9次，欧洲空间局的2次尝试均遭失败。
在“天问一号”着陆巡视器降落到火星表面的过程中，经历了一个所谓“死亡八分钟”的过程。5月15日凌晨1时许，“天问一号”探测器在停泊轨道实施降轨，机动至火星进入轨道。4时许，着陆巡视器与轨道器分离，历经约3小时的飞行后，进入火星大气。接下来，就是堪称生死考验的“死亡八分钟”。着陆巡视器先后经历了三个减速阶段：第一个是气动减速段，在这个阶段着陆巡视器利用大气摩擦将速度从4.8千米/秒减速到460米/秒；
第二个是伞系减速段，着陆巡视器在距离火星表面大约11千米处打开降落伞，利用降落伞减速到95米/秒；
第三个是动力减速段，着陆巡视器利用着陆平台底部7500牛发动机产生的反冲力，将速度降到约1.5米/秒。此后，着陆巡视器进入悬停避障段，在距离表面100米高度处将速度减为0，达到悬停状态，同时避开下面的障碍物。最后，着陆巡视器在缓速下降段中依靠着陆腿降落在火星表面。在两器分离约30分钟后，轨道器进行升轨，返回停泊轨道，为着陆巡视器提供通信中继。
着陆巡视器成功在火星表面着陆后，已经打开太阳能电池板开始充电，桅杆也正常展开。“绕、落、巡”三步中已经成功完成了前两步。根据计划，“祝融号”火星车将于降落后一周后即5月22日驶下着陆器，开始在火星上的漫游之旅。预计在5月27日左右实现着陆器和巡视器的两器互拍并于5月28日传回互拍的图片。“祝融号”在火星上开展巡视工作后，中国将成为继美国之后世界上第二个成功着陆火星并开展探测工作的国家。
中国古人称火星为“萤惑”，荧荧似火，行踪又捉摸不定，令人迷惑。千百年来，中国人始终没有停止对火星的注视，“天问一号”将中国人长久以来探索火星的心愿变成了现实。除火星探测外，中国还计划在2030年前实施火星采样返回、小行星探测、木星系及行星穿越探测等深空探测任务。当这幅太空探索的画卷在我们面前缓缓展开的时候，中华民族的太空梦正触手可及。
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