焦維新

2020年7月23日12時41分，“長征五號”遙四運(yùn)載火箭托舉著我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器，在中國文昌航天發(fā)射場成功點火升空。

近日，航天專家、北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新接受廣州日報全媒體記者專訪，他詳細(xì)介紹了我國“天問一號”探測器未來環(huán)繞、著陸、巡視火星時的很多技術(shù)環(huán)節(jié)以及其中的難點。焦維新表示，因為火星距離地球太遠(yuǎn)，飛行器屆時將無法人為操控，只能按照已設(shè)定的程序進(jìn)行操作，而飛行器著陸時更要經(jīng)歷“黑色7分鐘”，過往不少飛行器都在這7分鐘里被損毀；此外巡視火星時，飛行器還要提防火星上的沙塵暴；而提到“移民火星”的說法，焦維新表示：“未來可以去火星旅游，但沒必要去定居，因為要讓火星適宜人類生存，至少需要改造800年~1000年，而地球上還有1/3的土地是沙漠，改造沙漠顯然要比改造火星容易得多。”

挺過“黑色7分鐘”是關(guān)鍵

廣州日報：“天問一號”已經(jīng)成功發(fā)射，在前往火星的歷程中，它還要經(jīng)歷怎樣的挑戰(zhàn)和困難？

焦維新：在飛行期間，“天問一號”不會遭遇什么困難，它只要根據(jù)預(yù)定的軌道飛行，假如它的位置與方向和之前的設(shè)定有一定差距，地面控制人員做幾次軌道修正就可以了。

“天問一號”遇到的第一個難點將是切入火星軌道。當(dāng)探測器到達(dá)火星附近時，速度是3km/s，但火星軌道的逃逸速度是1km/s，如果飛行器以這個速度靠近火星，火星的引力場就無法將它“捕獲”，它在火星附近拐個彎就跑太陽系里去了。這時，它就要調(diào)轉(zhuǎn)180°，利用發(fā)動機(jī)反方向點火減速，時間約是20~30分鐘，之后它才能被火星引力“捕獲”。這一操作的難點在于，探測器當(dāng)時和地球相差1億多公里，而通信的單程時間就要10多分鐘，操作時還在火星的背面，因此人們不能通過地面指令對它進(jìn)行遙控，只能依靠飛行器原本設(shè)定的程序來操作。之前日本的火星探測器在這個階段時沒控制好，探索就以失敗告終。

這一關(guān)過后，“天問一號”就將變成火星的衛(wèi)星了。但一開始，它的軌道離火星還比較遠(yuǎn)，不太適合進(jìn)行科學(xué)探測， 這時就可以開動發(fā)動機(jī)，進(jìn)行軌道機(jī)動，降低探測器的高度，但這種方式會消耗燃料，這對已經(jīng)長途跋涉的飛行器來說并不可行；另一種方法則是利用火星的大氣阻力，讓探測器逐漸減速，一點點接近到可以進(jìn)行科學(xué)探測的高度。

這一高度達(dá)到后，飛行器就要開始尋找合適的著陸點，拋出著陸器。盡管火星大氣層比較稀薄，但著陸器的速度比較快，還是會和火星大氣摩擦生熱，讓著陸器表面像一團(tuán)火，一般著陸器前面有一個熱屏蔽層用來隔熱，等到速度降下來后，熱屏蔽層就被拋掉，打開降落傘減速。盡管火星空氣稀薄，但因為降落傘比較大，對減速還是起到很大的作用的。當(dāng)速度降低到一定程度時，降落傘也將脫落，這時著陸器的反沖發(fā)動機(jī)點火，讓速度進(jìn)一步減低，并懸停在空中一段時間，其間觀察著陸點是否適合著陸，查看是否有大的隕石坑和巖石，如果有，就讓著陸器平行移動，躲開這些障礙物再進(jìn)行下落。

當(dāng)著陸器最后與火星地面接觸時，依靠著4條有彈性的“腿”，能起到一定的緩沖作用。從把著陸器拋射出來到著陸器著陸，時間為7分鐘，這被科學(xué)家們稱為“黑色7分鐘”，也將是“天問一號”最驚險的一段旅程。此前歐洲空間局發(fā)射的兩個火星探測器，兩個火星車都在這7分鐘的著陸過程中失敗了，因為著陸對技術(shù)的要求非常高，從地球傳信號到著陸器要10多分鐘，遠(yuǎn)大于7分鐘的著陸時間，因此在地球的工作人員無法操控，只能依靠著陸器自身設(shè)定的程序。

等平安落地后，火星車就開始工作了。這時比較大的風(fēng)險則是遭遇沙塵暴，沙塵暴覆蓋了太陽帆板，會讓帆板效率降低，這時火星車可以通過抖動來幫助把沙子去除，像“勇氣號”火星車等之前都遭遇過沙塵暴的麻煩。

總的來說，“天問一號”能否成功進(jìn)入火星軌道，能否躲過“黑色7分鐘”，都將是火星探測的關(guān)鍵。而要順利完成任務(wù)，靠的是儀器設(shè)計的可靠性和程序設(shè)計的合理性。

如成功將讓人類更進(jìn)一步

廣州日報：“天問一號”上會帶哪些先進(jìn)的設(shè)備？如何將數(shù)據(jù)送回地球？

焦維新： “天問一號”裝載著大約240公斤的太陽能漫游車，預(yù)計將在火星上運(yùn)行約90天。“天問一號”任務(wù)總共有13個科學(xué)有效載荷，軌道飛行器上的7臺儀器包括兩臺攝像機(jī)、火星軌道地下探測雷達(dá)、火星礦物學(xué)光譜儀、火星磁力儀、火星離子和中性粒子分析儀以及火星高能粒子分析儀；流動站上安裝的六種儀器是多光譜攝像機(jī)、地形攝像機(jī)、火星探測器地下探測雷達(dá)、火星表面成分檢測器、火星磁場檢測器和火星氣象監(jiān)測器。這些設(shè)備采樣的數(shù)據(jù)將被存儲下來，定期傳回地球。

廣州日報：如果“天問一號”能順利完成環(huán)繞、著陸、巡視的工作，對我國航空航天技術(shù)有怎樣的標(biāo)志性意義？

焦維新：先不說科學(xué)探測結(jié)果如何，如果這3步我們都能完成，就是很了不起的成績。目前在國際上，歐洲空間局曾同時發(fā)射軌道器和火星車，但兩次都失敗了；美國基本是單獨發(fā)射軌道器或單獨發(fā)射火星車，而只有我們是同時發(fā)射軌道器、著陸器和火星車，如果成功了，那就是任何國家都沒有做到的成績，是具有里程碑意義的成果。

具體到科學(xué)探測方面，盡管人類已經(jīng)發(fā)射過多臺火星車，但每個的著陸地點都不一樣，因此得到的結(jié)果也是不一樣的，只要火星車能正常工作，那我們得到的都將是創(chuàng)新性的成果。

廣州日報：為何世界各國如此重視火星探測？

焦維新：首先是人們對探索未知的驅(qū)動力。目前太陽系內(nèi)的天體幾乎都被人類探測過了，這些探測結(jié)果極大地拓展了人類的眼界；如果中國能成功探索火星，對人類的進(jìn)步有著很大的意義。此外，探索地外生命也是人類十分關(guān)注的問題。太陽系的幾個類地天體，火星的條件還算比較好，相對來講可能有生命存在。未來我們還可以利用火星的資源來探索更遠(yuǎn)的天體。

此外，深空探測也將推進(jìn)人類技術(shù)的發(fā)展，探索火星需要火箭技術(shù)、控制技術(shù)、探測技術(shù)、時空通信技術(shù)等等，這些都將讓人類技術(shù)向前更進(jìn)一步。

“火星游”幾百年后可期

廣州日報：目前人類技術(shù)能否實現(xiàn)飛行器在火星和地球間的往返？

焦維新：我們國家探測火星的下一步目標(biāo)就是取樣返回，美國和歐洲空間局也在策劃這件事，但返回需要綜合性的技術(shù)。首先火星車要能找到最有科學(xué)意義的樣品，取回來放到返回器里；第二個難點是返回的技術(shù)，這是人類從來沒有做過的事情，從地球去火星有一個發(fā)射窗口，而從火星回地球也有一定的時機(jī)，至于怎么抓住這一時機(jī)返回地球，人類還沒有任何經(jīng)驗，需要不斷地探索。

廣州日報：科幻電影中有一些描述火星移民的故事，你覺得會成為現(xiàn)實嗎？

焦維新：移民火星的問題要從兩方面看，一是必要性，二是可能性。從必要性看，我們在地球上住得好好的，為什么要移民去火星呢？要知道火星無論怎么改造，都不能達(dá)到地球那么舒適，與其去改造火星，我們更應(yīng)該去改造地球上的沙漠，因為讓沙漠宜居遠(yuǎn)比讓火星宜居來得更容易也更便宜。因此移民火星沒有必要性。

而從可能性來講，改造火星也不是一點可能性都沒有。我寫過一本書，叫做《探索紅色星球》，其中最后一章叫“火星地球化”，專門談了改造火星大氣層的步驟，從理論上講，改造火星的時間是800年~1000年；還有一個關(guān)鍵，就是只有地球有磁場能讓生物免于過強(qiáng)帶電粒子的危害，而火星沒有磁場，無論我們怎么改造也造不出磁場來。

因此，集中全世界科學(xué)的力量來改造火星是不現(xiàn)實的，但未來隨著科學(xué)的發(fā)展，我們可以制造出載人飛行器登陸火星，建立火星基地，等到幾百年以后條件好了，再讓人類去火星上旅游，這都是有指望的，人類可以在火星上短期居住、進(jìn)行科學(xué)探索，但目的絕不是為了移民。