“天问一号”火星探测器发射升空！太空专家详解要点

返朴 2020-07-23

　　撰文 | 李杰信（前NASA太空任务科学家）

　　不到火星非好汉

　　《史记》上早已说得清清楚楚：“虽有明天子，必视荧惑所在。”对火星的关注，是中华民族历史上不变的情怀。中国在月球为嫦娥和玉兔盖了广寒宫，也想把红色的火星和关云长的赤兔马挂钩。中国的“嫦娥”和“玉兔”已成功登陆月球，当然下一步，就是要去拜访火星。火星远在天边，登陆月球和登陆火星所需的太空科技，有质上的差异。去火星第一件所需的神器就是一枚大推力的火箭。中国在经济起飞前的1986年就已经开始筹划这枚大型火箭的前期论证和攻关工作，前后经历了20年艰难的研发，终能在2006年10月上马开始制造这枚火箭。

　　人类火星探测全家福图片。约略估计，成败各半。感谢“美国行星学会”戴维斯先生授权刊载｜Credit: Publication permitted by Mr. Jason Davis of The Planetary Society/USA

　　中国在新世纪的经济和其他各方面的崛起，是人类文明史上的奇迹。中国富强了，才有能力开发这枚符合现今世界最高水平的强力火箭。这枚火箭有两个高阶层要求。第一，它的推力要达到比“长征二号”高出3倍的25吨级低地球轨道能力；第二，这枚火箭要使用“非自燃” (non-hypergolic) 无毒性的推进燃料。

　　第一个要求易懂，火箭要有25吨的低地球轨道推力，才能把有效载荷送到遥远的火星。第二个要求更重要，如此巨大推力的火箭，不好再使用强毒性自燃推进剂“四氧化二氮/偏二甲肼”。对一个在国际太空科技具有领导地位的大国，最受尊重的选择是低温液氢和液氧火箭推进燃料。氢氧燃烧后的产物为水，对地球环境无害。但低温液氢和液氧燃料的比重较低，比同等体积的四氧化二氮/偏二甲肼燃料产生的推力小。为了使火箭能携带更大的载荷，这类大型火箭的发射场地越接近赤道，就越能得到地球自转速度给出的附加载荷红利。于是中国就把这枚名为“长征五号”，又称“胖五”的火箭航天发射场地设在中国最南疆海南岛的东北角文昌市。为了运输便捷着想，火箭的制造工厂就顺其自然地设在了天津。

　　“十年磨一剑，霜刃未曾试”。2016年11月3日，“胖五”于文昌航天发射场首次发射成功。通常新型火箭试射，需三锤定音。2017年7月的第二次试射，第一节火箭的液态氢氧发动机运转异常，45分钟后宣布发射失败。2019年12月27日，“胖五”第三次试射，成功将“实践二十号”实验通信卫星送入赤道上空的地球静止轨道（Geostationary Orbit）。悬梁刺股十三载，终于铺好了中国去火星探测的高速公路。

　　中国的低温液氢和液氧燃料推进火箭“长征五号”，又称“胖五”，经30余年的研发，于2019 年12月27日，试射成功，三锤定音。｜Credit: Creative Commons Attnbution 4.0 International，篁竹水声

　　中国要有自己独立自主创造出来的火星火箭，才能执行自己的火星探测任务。中国和俄罗斯2011年11月的合作项目“火卫一登陆号”，就是俄罗斯发射火箭，中国提供一颗火星轨道卫星搭载其上。中国在2011年还没有火星火箭，但如能把不需要火箭部分的火星任务所需要的技术先行演练一下，也是个求之不得的机会。这些技术可以包括：火星入轨、打开太阳电池板和通信天线、展开地-火间长距离通信和火星地表照相等。但这次中俄合作，就是因俄罗斯的火箭故障，连地球轨道都没有脱离成功，当然更无法轮到考验中国“萤火一号”的各项性能，就偃旗息鼓了。

　　2019年初，“胖五”进展顺利，1月11日，中国在坚实的火星火箭基础上，正式向世界宣布，“火星，我来了！”

　　中国决定于2020年火星发射窗口开放时期中的7月23日 (下表为火星“冲”的日期和此时地-火距离)，用“胖五”载着“天问一号”，首途火星。

　　“冲”的日期/地球与火星的距离

　　2003年8月28日到2018年7月27日间，地球和火星在它们椭圆形轨道上“冲”的位置。

　　去火星的宇宙飞船要在地球落后火星44度时出发，才刚好在259天后赶到太阳对面与火星会合。宇宙飞船与火星会合时，地球已经走到了火星前面75度。地球落后火星44度时，地球的发射窗口开放，约30天。

　　中国“天问一号”任务包括轨道卫星与登陆器和火星漫游小车。轨道卫星相机的分辨率，有中、高两等级，在400千米的高度，可看清楚最小到2米大小的地表物体。卫星也携带了计磁仪、矿物成分分光仪和火星离子和中性粒子分析仪，另携有轨道穿透火星地表雷达。火星漫游小车上置有100米级的地表穿透雷达、多光谱相机、计磁仪、气象仪、地表合成物探测器及导航相机等。如这些仪器都能安抵火星任务工作位置，正规操作，中国的火星科学家和工程师们，可在国际同行评审的刊物上，发表数百篇论文。

　　中国火星漫游小车示意图｜Credit：CICphoto

　　略提一下，“天问一号”的轨道卫星和地面的漫游小车都携有计磁仪。1975年，NASA发射的第一个火星探测器 “海盗一号”测量到火星有极微弱的磁场，是地球的万分之一。火星磁场虽微弱，但出身诡诈，极可能是区域性的局部现象。“天问一号”天上地下双管齐下同时测量，肯定能进一步绘制出更详细的火星磁场分布图。

　　“天问一号”除了期盼获取登陆火星和在火星上运作的实际经验外，也为2030年中国火星双程取样任务做准备。火星漫游小车很可能寻找到一块最适合送回地球的火星矿石，标明发现地点经纬度，甚或演练打包处理过程，静候 2030年地球物流快递取货。

　　中国第一次火星任务的成功一定得满足几个硬要求：第一，“胖五”一定要把“天问一号”送入火星轨道；第二，漫游小车一定得登陆成功。日本的第一次任务连火星都没追上。而印度聪明取巧，避重就轻，成功至上，只肯试火星轨道卫星，入轨成功后就大肆宣扬。欧洲航天局两次火星任务，轨道卫星成功，登陆器皆败北。

　　进入火星轨道已不容易，登陆火星就更是难上加难了。中国“胖五”经过30余年的研发制作，应已造就了金刚不坏之身，把“天问一号”送入火星轨道，应在合理的期盼范围内。登陆火星部分，是墨菲先生的禁脔，略有差错，墨菲先生一定把它抓出来，放大渲染，毫不留情，不搞到车毁机亡，决不罢休。登陆是火星任务最困难的部分，通过成功登陆火星的烈焰灼炼，中国将取得太空科技强国的钻石会员卡。目前只有美国有钻石卡会员，俄罗斯尝试登陆火星5次，仅“火星3号”勉强算得上成功，登陆90秒后，仪器只工作了20秒。所以，俄罗斯仅够得上银卡资格。

　　中国登陆火星地点，有两处选择。经过反复论证，在2019年9月决定扬弃金色平原，以乌托邦平原为登陆首选。乌托邦平原是火星，也是太阳系中最大的陨石盆地，直径达3300千米，为火星直径之半，也是1976年“海盗二号”登陆地点。

　　人类登陆火星最给力的几架探测器在火星地表的分布图。新一代仪器的主要目的是实现人类“跟着水走”的21世纪火星探测策略。｜Credit：NASA/JPL

　　中国火星登陆采取了在火星大气中以超音速降落伞和反射火箭减速软着陆。因导航和进入火星大气时。登陆是火星任务最困难的部分，通过成功登陆火星的烈焰灼炼，中国将取得太空科技强国的钻石会员卡。引进的不确定性，登陆的椭圆不定范围为40千米×100千米，为美国1996 年的“火星探路者号”登陆椭圆面积的五分之一，但为美国最先进“火星科学实验室”新一代全程反射火箭控制登陆椭圆面积的 29 倍。中国在乌托邦平原有两处候选登陆地点，美国的MRO/HiRISE特别为中国在火星乌托邦平原可能登陆地点之一摄得了一幅高清图像。

　　美国的 MRO/HiRISE 特别为中国在火星乌托邦平原可能登陆地点之一摄得的高清图像。｜Credit：NASA/JPL/University of Arizona

　　2020年1月23日，中国宣布“胖五”已完成最后一次液氢液氧火箭引擎100秒点火检测。通过这个严格验收关卡后，“天问一号”载荷就已可以开始组装。中国的火星任务，升火待发。

　　人类登陆火星的魔障

　　2020年的火星发射窗口，在7月初开始开放。除了中国以外，美国和阿联酋也抓住这次火星探测机会，各显神通，作者在这就不再一板一眼平白直述，只挑些有趣的来说。

　　又花费美国纳税人21亿美元的“火星2020”任务，将携带“毅力号” (Perseverance)漫游车，预定7月30日出发，2021年2月降落于“海盗二号”西南方约 3300千米处的“杰泽罗陨石坑” (Jezero crater)，主要任务是寻找古代生命的迹象，并仔细推敲出一个实际可行的火星双程取样任务。火星虽然大气稀薄，不及地球的百分之一，好像支撑不了飞机所需的浮力，但这次美国要送上去一架迷你直升机，首试在火星地表气体动力飞行器的可行性。

　　与美国“毅力号”漫游车（背景远处）一起登陆的迷你“火星直升机侦察兵”示意图。｜Credit：NASA/JPL

　　美国有史以来所有登陆火星探测器的总览图。“好奇号”(Curiosity)和“洞察号” (InSight)仍在工作状态，“毅力号”(Mars 2020)将在2021年2月18日在“海盗二号”西南方约3300千米处的“杰泽罗陨石坑”登陆。| Credit：NASA/JPL

　　火星双程取样任务至为艰难，耗资巨大。从 2020年开始使用漫游小车在火星上实地考察研究，如能成功，也是 2030 年以后的事。双程取样任务是人类科技文明突破级的成就，每个科技大国都想率先达阵，但现在还在拍胸脯叫板阶段。如我们常说的，这是一个自由的世界，这是一个浩瀚的宇宙，大家就都撒开欢儿，尽情地去自由叫卖吧。

　　其实人类辛勤地经营火星探测，埋在心里头最深沉的梦想还是希望有一天人类本尊能登陆火星。先不谈移民，只要能亲临其境实际考察一番就已心满意足。人类登陆火星的难度，无可拟比，以作者的科技突破标准，多个诺贝尔奖级的成就也无可比拟。

　　人类登陆火星之路，魔障重重，第一就是旅途中要长期暴露在强太空辐射环境，再来就是旅途中的失重、失水、骨质疏松、肌肉流失和人体免疫系统变弱等。抵达火星后，如是“合”级任务，则至少要停留 455 天，等待回程发射窗口开放。停留期间，环境控制及生命支持系统 (Environmental Control and Life Support System，ECLSS) 绝对不能故障。虽有至少 4 名宇航员结伴同行，心理上依然会有遥远无助、孤独寂寞的感觉。人类第一次去火星，肯定是兵马未动，粮食、燃料先行。但可能偶有关键零件材料欠缺，就得就地取材 (In Situ Resources Utilization，ISRU) 补充。在火星上住 455 天，可能需要把地球的益生菌 (microbiome) 和噬菌体 (bacteriophage) 带上。

　　再略谈一下太空辐射。太空辐射，部分来自太阳，如“太阳粒子事件”。但最凶悍的部分则是来自深不知处的宇宙，统称宇宙射线 (cosmic rays)。人类的祖先能在地球上健康演化，全得利于地球磁场和大气的保护，才能躲过太空辐射对人类染色体基因的伤害。辐射剂量的单位以希沃特 (Sievert) 计算。人类一生能承受的辐射总剂量为1希沃特。人类火星之旅，在路上的来回双程共259×2=518天，近一年五个月，皆暴露在宇宙射线的淫威之下，太空舱虽有 10 厘米厚的水墙围护，但仍然无法隔离极高能量的宇宙射线。据估计，去火星的路程，因高能量宇宙射线肆虐，宇航员会承受250毫希沃特的辐射，来回就是500 毫希沃特，已经消耗了人体一生所能承受剂量的一半。所以，宇航员在一生的太空事业中，只能往返一次火星！

　　人有惰性，人身体内的细胞更懒。去火星之旅的微重力环境下，骨骼和肌肉的细胞马上会发现它们不必再努力辛苦地支撑地球重力下的体重了，于是即刻减产，8 个多月下来，骨质疏松、肌肉流失。别的生理功能也来添乱。在微重力下，储存在两条大腿中的体液，开始向全身平均分布。对上半身而言，平均过来的体液造成充水现象，于是人体大量排水，结果只能保住在正常重力下95%的体液，置身体于严重失水状态（注：对一位75千克重的宇航员，5%排出的体液约为 3000毫升）。体液少，红血球、白血球数目就相对减少，身体免疫系统随之减弱。身体长期处于微重力下，甚至连基因的开关和生产蛋白质的机制都会发生约 5%的变化。还好人类在太空站的微重力环境下已有了连续生活近20年的经验，发现强力冲击性的运动 (Impact Exercise) 可减慢微重力环境对人体的伤害。所以，去火星的宇航员，每天都得绑上强力的橡皮筋，在太空舱中做4小时冲击性的运动。

　　人类使出浑身解数，规划出未来30年登陆火星所需的科技和各类在太空环境工作、生活和居住的设备。美国的太空策略，由白宫掌控，任务走向常沦落为政客的短期政治筹码。人类登陆火星计划需要跨越现实的政治时空尺度，在艰难多变的政治生态环境中，稳步前行。

　　下图是NASA有效运用最强大、最符合科学和工程逻辑发展出来的人类登陆火星的愿景图。中间上方两枚火箭，是美国为登陆火星设计出来的专用火箭，上面较小的为25 吨低地球轨道推力级别，命名“战神一号” (Ares I)，推力和“胖五”相当，但为载人火箭，造价至少是非载人火箭的十倍有余。下面的为 188 吨低地球轨道推力级别的载货火箭，命名为“战神五号”(Ares V)。目前，这两枚火箭仍在库藏冬眠期间，耐心等候外界政治环境复苏后再披战袍出征。

　　人类登陆火星的愿景图｜Credit：NASA/JPL

　　火星和地球的距离，在“大冲”时可近到5500万千米，约为0.37天文单位，最远时可达2.5 个天文单位，双程通信需时370~2500秒，即约6~40分钟。所以，与火星通信，都有较长的时间延迟，信息基本上都是过去式。人类送上火星的探测器，皆运用人工智能全自动操作，只在一些设计好的关键时刻，需要地球基地启动指令进行特殊操作程序。目前在火星轨道上布置的几颗卫星，基本满足地面仪器“好奇号”“洞察号”和以后“毅力号”火-地中继通信需求。

　　人类目前在火星轨道上布置的几颗卫星，基本满足地面仪器火-地中继通信需求。| Credit: NASA/JPL

　　地球与火星和其他的外层空间之间的通信，需24小时畅通无阻。但因地球自转原因，不管任何时间，有一半以上的宇宙空间不在单一射电视线所及范围，所以人类围绕地球每隔120经度就得要设一个深太空联络站，彼此相互扶持，以覆盖与火星24小时通信不间断的需求。美国设置三个主力“深空联络设施” (Deep Space Network，DSN)，一在美国加利福尼亚州南方沙漠中的戈尔德斯通(Goldstone)，另一个在西班牙的马德里 (Madrid)，第三个在澳洲首府堪培拉(Canberra) 近郊。1998年和2013年经特别安排，作者拜访了堪培拉和戈尔德斯通的 “深空联络设施 ”。