“天何所沓?十二焉分?日月安屬?列星安陳?”2000多年前，詩人屈原仰望蒼穹，發(fā)出“天問”。

2000多年后，由此命名的天問一號(hào)探測器，成功著陸火星北半球的烏托邦平原，帶領(lǐng)“祝融”號(hào)火星車展開火星探測之旅。我國成為繼美國之后，世界上第二個(gè)成功將火星車降落在火星表面的國家。

而今，火星上的探測器正嘗試告訴我們火星的過去和現(xiàn)在。

“探火”之路

縱觀航天史，人們對(duì)火星情有獨(dú)鐘。

如果地球生命要“出去”，那么火星大概率是第一據(jù)點(diǎn)。

春秋戰(zhàn)國時(shí)，我國古人就注意到了火星?，F(xiàn)代以來，航空航天科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，但不變的，是人類的火星情結(jié)。

“火星是人類最早關(guān)注到的星體之一。”河北省天文愛好者協(xié)會(huì)理事長秦瑞強(qiáng)告訴記者，火星被稱為地球的“孿生姐妹”，較高的相似度使得火星成為深空探測的熱點(diǎn)。

有專家解讀說，火星屬于類地行星，兩者幾乎都形成于約45億年前，組成結(jié)構(gòu)也大致相同，有核、幔、殼。這些行星為什么能形成這樣的結(jié)構(gòu)?通過火星探測解答這一問題。

火星的自轉(zhuǎn)方式與地球相似。而且火星和地球一樣，也是傾斜著自轉(zhuǎn)，這意味著火星也有四季更迭。“火星上的水、大氣等條件有成為宜居星球的潛質(zhì)，而且離地球比較近。”秦瑞強(qiáng)說。

1960年至1964年，美國、蘇聯(lián)均向火星發(fā)射了探測器，但均宣告失敗。直到1964年10月，美國“火星4號(hào)”火星探測器才傳回了有關(guān)火星表面的近距離圖像，同時(shí)還回傳了500多萬比特的科學(xué)信息。

21世紀(jì)以來，美國、歐洲航天局相繼成功發(fā)射了火星探測器。印度也加入其中，發(fā)射了首顆“火星軌道任務(wù)”探測器。

然而，人類探測火星的征程并未就此一帆風(fēng)順。

2011年，俄羅斯的“火衛(wèi)一土壤”星際探測器由于發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，未能將其送入飛往火星的軌道，“探火”再度失敗。

據(jù)介紹，火星距離地球最近時(shí)也有約5500萬公里，對(duì)火星探測任務(wù)的發(fā)射、測控、著陸等環(huán)節(jié)都有很高技術(shù)要求。

進(jìn)入火星軌道就是一大挑戰(zhàn)。

火星的引力場比地球小很多。環(huán)繞器需要被火星捕獲，這是火星探測的一大難關(guān)。從地火轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入火星環(huán)繞軌道前，還需要進(jìn)行相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)控、軌道修正等操作。

在火星著陸的過程被稱為“恐怖7分鐘”。這7分鐘內(nèi)，探測器要經(jīng)歷入軌、下降與著陸過程，速度將從2萬千米/時(shí)降到0。“恐怖”之處在于，這段時(shí)間為無線電中斷、無法控制的“黑障區(qū)”。

“一不小心探測器就跟丟了。”專家說。

特別是與月球不同，火星上也存在大氣層，這讓著陸器存在被燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。雖然火星大氣密度只有地球的1%，但其大氣中二氧化碳占95%，氮?dú)庹?%，與從地球軌道上返回的飛船相比，著陸火星的探測器在高熱狀態(tài)下會(huì)發(fā)生更加復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。

即便是順利著陸，接下來的巡視也是火星探測的一大難關(guān)。“火星上的沙塵暴會(huì)對(duì)火星車造成極大的威脅，而且為了延長火星車的壽命，通過測控讓其行駛于一個(gè)相對(duì)平坦的地形中，坑、石頭、軟地質(zhì)等都可能成為探測的環(huán)境干擾。”專家說。

河北護(hù)航

“在本次火星探測任務(wù)中，我們研制的多型測控系統(tǒng)，在探測器發(fā)射、火星環(huán)繞、著陸和巡視探測各個(gè)階段，執(zhí)行地面遙控、遙測、高精度的目標(biāo)導(dǎo)航、數(shù)據(jù)接收等任務(wù)，為首次火星探測提供堅(jiān)實(shí)測控和通信技術(shù)保障。”網(wǎng)絡(luò)通信研究院(54所)天問一號(hào)任務(wù)測控系統(tǒng)總師耿虎軍介紹。

當(dāng)然，測控站并非單獨(dú)行動(dòng)的，任務(wù)的成功需要各個(gè)深空測控站密切配合，這些散布在廣袤大地上的一個(gè)個(gè)深空測控站實(shí)力上演“聯(lián)手接力”，保障探測器著陸和月球車探測。

耿虎軍說，深空測控站通過組成一張看不見的“深空測控網(wǎng)”，將一條條命令及時(shí)準(zhǔn)確地送達(dá)遠(yuǎn)在上億公里之外的探測器上，精準(zhǔn)執(zhí)行著巡器與環(huán)繞器分離、火星著陸等任務(wù)所需的遠(yuǎn)程控制;高性能接收探測器獲得的火星圖像、火星形態(tài)結(jié)構(gòu)等科學(xué)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收探測器發(fā)回地球的遙測信息，全程掌控任務(wù)設(shè)備狀態(tài)，并為任務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。

在火星車落火的全任務(wù)過程中，喀什深空測控站和阿根廷深空測控站對(duì)環(huán)繞器和火星車實(shí)施雙目標(biāo)的測控、數(shù)據(jù)接收和測速測距等外測任務(wù)。

兩深空測控站對(duì)環(huán)繞器接力發(fā)令，控制環(huán)繞器的姿態(tài)并進(jìn)行測距測速，接收環(huán)繞器的遙測信息和數(shù)傳數(shù)據(jù)。之后，喀什深空測控站對(duì)環(huán)繞器進(jìn)行單站測控，通過發(fā)送上行遙控指令控制環(huán)繞器實(shí)施降軌操作，為火星車降落火星做最后的準(zhǔn)備工作。阿根廷深空測控站對(duì)環(huán)繞器進(jìn)行單站測控，其間會(huì)根據(jù)環(huán)繞器+火星車組合體的姿態(tài)和工作狀態(tài)對(duì)其實(shí)施精密調(diào)整和控制，并通過發(fā)送遙控指令控制環(huán)繞器與火星車分離。兩站配備的采集記錄設(shè)備也在整個(gè)落火任務(wù)過程中對(duì)探測器進(jìn)行精確的測定軌。在這樣的“通力合作”下，探測器才能“指哪到哪”。

由于巨大的通信時(shí)延，使地面測控設(shè)備無法實(shí)時(shí)對(duì)火星車的最后落火階段進(jìn)行測控，在此期間，火星車通過預(yù)先設(shè)置好的程序自主實(shí)現(xiàn)落火過程。天問一號(hào)著陸后，喀什深空測控站和阿根廷深空測控站將繼續(xù)作為深空網(wǎng)的主力裝備，為整個(gè)天問一號(hào)任務(wù)的圓滿成功提供堅(jiān)實(shí)的測控保障。

此外，54所作為設(shè)備總體單位，主持的喀什4套35米天線組陣系統(tǒng)，也為天問一號(hào)任務(wù)全過程提供了技術(shù)保障。

“這套系統(tǒng)為火星探測任務(wù)而研制，也是我國首個(gè)35米深空探測天線陣，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)在4億公里以外的火星探測器進(jìn)行極高靈敏度的微弱信號(hào)組陣接收。”耿虎軍指出，它的研制為未來我國走向更深遠(yuǎn)的太空提供了雄厚的測控技術(shù)儲(chǔ)備。

在廣袤的星際空間，探測器距離地球會(huì)非常遙遠(yuǎn)，這導(dǎo)致地面站接收到的信號(hào)極其微弱。54所通過組陣技術(shù)，將4套35米天線進(jìn)行組陣合成，可以將多個(gè)天線接收到的微弱信號(hào)匯合起來，能夠極大地增強(qiáng)地面系統(tǒng)的接收能力。據(jù)悉，這套系統(tǒng)，達(dá)到了等效口徑66米的接收效果，“以較小的成本代價(jià)和最優(yōu)的性價(jià)比，滿足了深空任務(wù)的數(shù)據(jù)接收需求。”耿虎軍說。

據(jù)介紹，該組陣系統(tǒng)建設(shè)突破了不少關(guān)鍵技術(shù)，采用高性能的實(shí)時(shí)及事后多天線信號(hào)組陣合成算法，通過多天線系統(tǒng)的綜合資源調(diào)度以及任務(wù)管理，實(shí)現(xiàn)天線單元間高同步高精度的時(shí)頻信號(hào)分發(fā)以及數(shù)字化采樣，從而為接收天問一號(hào)探測器傳回的微弱信號(hào)提供高質(zhì)量服務(wù)。

探尋生命

“所有的火星探索都圍繞著一個(gè)核心主題——生命。”秦瑞強(qiáng)告訴記者，這包括了一系列問題：火星上現(xiàn)在有沒有生命?它過去是否曾經(jīng)孕育出生命?未來能否改造成適合生命生存的地方?

解答這一核心主題的前置條件，首先是要搞明白火星上有沒有水?

本世紀(jì)以來，多項(xiàng)探測都證實(shí)火星存在水：“奧德賽”探測器發(fā)現(xiàn)火星大氣中有微量水蒸氣;“火星勘測軌道器”通過雷達(dá)探測器發(fā)現(xiàn)火星地表下有水冰層。

從“火星來客”——隕石中也能發(fā)現(xiàn)端倪。

2014年，中國科學(xué)家在一塊火星隕石中發(fā)現(xiàn)了碳顆粒，研究認(rèn)為是火星生命產(chǎn)生的碳，這是全球首次發(fā)表的類似成果。這一研究隨后得到美國“好奇號(hào)”火星探測器團(tuán)隊(duì)的佐證。2018年，該團(tuán)隊(duì)宣布從2014年9月和2015年1月的兩次鉆孔采樣物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了多種有機(jī)物——比人們之前在火星發(fā)現(xiàn)的有機(jī)物要復(fù)雜和豐富得多。

專家表示，從現(xiàn)有研究成果看，火星表面曾有大量水流過的痕跡，有可能孕育過生命。

那么，現(xiàn)在火星上是否依然有生命存在?它們?cè)谀睦?火星上的水又去了哪里?這些都是值得進(jìn)一步探索研究的重大課題。

“由于一些國家對(duì)于探測到的火星核心信息嚴(yán)格保密，天問一號(hào)的任務(wù)，就是通過環(huán)繞火星，拍攝并發(fā)回高清地圖照片，再通過登陸火星，傳回探測地表的第一手資料。”專家說，這將驗(yàn)證并解開我國科學(xué)家對(duì)火星的種種認(rèn)知和疑問。

當(dāng)然，火星探測，只是我國深空探測的其中一步。

“天問”不僅僅是火星探測任務(wù)的名稱，而是“中國行星探測任務(wù)”的名稱。這也意味著，未來的“天問”，還將走向其他行星。

除了2020年發(fā)射首個(gè)火星探測器，我國還將規(guī)劃木星(及其衛(wèi)星)和小行星探測。據(jù)介紹，木星是太陽系最大的行星，且擁有豐富的衛(wèi)星系統(tǒng)，研究木星系統(tǒng)，對(duì)理解太陽系演化過程具有重要的科學(xué)意義。

“小行星也是很重要的探測對(duì)象。”專家表示，太陽系里的小行星很多，不少會(huì)來到地球周圍，可能會(huì)對(duì)地球造成威脅。

走向深空，探索未知。在天文學(xué)家眼中，深空探測很大程度上是人類好奇心的驅(qū)動(dòng)，好奇宇宙的起源、好奇生命的起源、好奇人類的未來。

“去火星，去更遠(yuǎn)的地方。”(記者 王璐丹)

標(biāo)簽： 觸探 深空 天問一號(hào) 火星 祝融號(hào)火星車