文/郑永春
2020年，适逢每26个月才会开启一次的“火星发射窗口”，美国、中国都将实施新的火星探测计划。就在今天，中国的火星探测器“天问一号”发射成功，它预计于2021年登陆火星。
早在2011年，中国的“萤火一号”探测器曾搭载在俄罗斯的火卫一探测器上飞向火星，由于后者变轨失败而未能继续前往目的地。
因此，用“天问一号”探测火星是中国独立自主开展的首次火星探测任务。如果一切顺利，中国将成为继美国之后、世界上第二个成功把航天器送达火星表面的国家。那么，“天问一号”有哪些值得期待的地方呢？
目标“三合一”，技术难度大
首次任务面临的风险和挑战可想而知，但中国科学家和航天工程师勇挑重担，“天问一号”将综合采用环绕、着陆、巡视三种方式。在这次火星探测任务中，既有轨道器环绕火星，又有着陆器登陆火星表面，同时有巡视器（也就是火星车）在火星表面巡视。也就是说，其他国家分两次完成的火星探测目标，我们要在一次任务里实现。
“绕”“落”“巡”三个目标要一次实现，技术难度更大。“天问一号”发射升空后，先在地球附近加速，然后进入霍曼转移（充分利用地球的自转速度，从低轨道到高轨道转移的最节省能量的方式）轨道，再在火星附近减速。由于“天问一号”的质量相对较大，飞到火星附近时，要“狠踩刹车”、及时减速才能被火星的引力捕获，这就需要消耗更多的燃料。
从进入火星大气层开始，“天问一号”的登陆过程分为气动减速、降落伞减速、动力减速和着陆缓冲4个阶段。由于火星距离地球较远，以光速传播的无线电信号，需要很长时间才能传回地球，而整个登陆过程只有短短的7分钟。因此，“天问一号”只能按照预先设定的方案进行登陆，且中途无法修正。
充分的地面试验是确保“天问一号”成功的关键。2019年11月，中国首次火星探测任务着陆器悬停避障试验，在位于河北怀来、目前亚洲最大的地外天体着陆综合试验场圆满完成。
这次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，综合验证了设计方案的正确性。这次试验邀请了部分外国驻华使节和国际组织人员观摩，并参观相关试验设施。中国火星探测任务首次公开亮相，吸引了全世界的目光。
“天问一号”要探测什么
航天是一项系统工程。首次火星探测工程集合了中国在深空探测方面的主要科技力量，并充分继承了探月工程积累的经验和技术基础。根据任务分工，火星探测工程由探测器系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面应用系统组成，在工程总体的统一组织下，分别完成火星探测器的研制、运载火箭的生产、发射任务的组织和实施、火星探测器发射后的轨道测量和控制、科学探测数据的接收和应用研究等任务。
作为中国首次行星探测任务，“天问一号”任务既要在科学研究上有创新，也要促进航天技术的发展。一方面，要考虑国际上已有的火星探测成果，以及未来发展趋势，还要深入分析火星研究中存在的关键问题。另一方面，要结合中国在深空探测领域的技术能力，以及火星科研团队的专业特长和研究兴趣。经过长期深入论证，科研工作者最终明确了“天问一号”的科学目标。
在探测器的质量和功耗受限的情况下，任务团队最终决定，在轨道器上搭载7种科学仪器，主要目的是对火星开展全球性、综合性的环绕探测。在火星车上搭载6种科学仪器，主要目的是对着陆区周围开展精细的巡视探测。
利用轨道器上的中分辨率相机、高分辨率相机拍摄的遥感图像，以及火星车上的多光谱相机、地形相机，科研工作者可以了解火星的地貌特征，研究火星的地质构造和演化历史。
火星表面的物质组成，可以通过轨道器上的火星矿物光谱分析仪和火星车上的火星表面成分探测仪来进行探测。利用探测到的数据，可以识别火星表面的岩石类型，鉴定出被流水改造的次生矿物。
为了解火星表面以下的信息，轨道器和着陆器上安装了不同的次表层探测雷达，它们可对火星表面的土壤进行分类，搜寻埋藏在地下的水冰。
轨道器上的火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪，可用来探测火星的空间环境，研究电离层的主要特征。火星车上的气象测量仪，相当于一个迷你的火星气象站，除了向生活在地球上的人们报告着陆区的气温、气压、风场等气象参数，还可以研究火星表面天气的变化规律。
轨道器上有磁强计，火星车上有磁场探测仪，两台仪器天地协作，可以用来分析火星的磁场特征。而磁场测量数据，可以用来研究火星深部的物质状态和早期的地质演化历史。
不难看出，将轨道器遥感探测的结果，与火星车对着陆区巡视探测的结果相结合，两者相互比较、相互验证，是中国火星探测工程在科学上的主要特色。
“天问一号”探测器发射成功后，还需要七八个月的时间才能抵达火星。当轨道器进入火星环绕轨道，以及火星车登陆火星后，这些科学仪器将先后开机，在完成仪器状态检测和定标之后，才能真正开始执行科学探测任务。科学家团队主要就是利用这些探测数据来研究火星，而精细的研究过程，往往需要长达数年的时间。
我们祝愿，“天问一号”任务的顺利实施，不仅可以增进人类对火星的认识，还将为中国开展下一次火星探测任务奠定基础。
本文选自《科学画报》
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