登陆火星须克服“黑色七分钟”

2020年7月23日12时41分，“长征五号”遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在中国文昌航天发射场成功点火升空。

近日，航天专家、北京大学地球与空间科学学院教授焦维新接受记者专访，他详细介绍了我国“天问一号”探测器未来环绕、着陆、巡视火星时的很多技术环节以及其中的难点。

焦维新表示，因为火星距离地球太远，飞行器届时将无法人为操控，只能按照已设定的程序进行操作，而飞行器着陆时更要经历“黑色七分钟”，过往不少飞行器都在这七分钟里被损毁；此外巡视火星时，飞行器还要提防火星上的沙尘暴；而提到“移民火星”的说法，焦维新表示：“未来可以去火星旅游，但没必要去定居，因为要让火星适宜人类生存，至少需要改造800年~1000年，而地球上还有1/3的土地是沙漠，改造沙漠显然要比改造火星容易得多。”

挺过“黑色七分钟”是关键

记者：“天问一号”已经成功发射，在前往火星的历程中，它还要经历怎样的挑战和困难？

焦维新：在飞行期间，“天问一号”不会遭遇什么困难，它只要根据预定的轨道飞行，假如它的位置与方向和之前的设定有一定差距，地面控制人员做几次轨道修正就可以了。

“天问一号”遇到的第一个难点将是切入火星轨道。当探测器到达火星附近时，速度是3km/s，但火星轨道的逃逸速度是1km/s，如果飞行器以这个速度靠近火星，火星的引力场就无法将它“捕获”，它在火星附近拐个弯就跑太阳系里去了。这时，它就要调转180°，利用发动机反方向点火减速，时间约是20~30分钟，之后它才能被火星引力“捕获”。

这一操作的难点在于，探测器当时和地球相差一亿多公里，而通信的单程时间就要十多分钟，操作时还在火星的背面，因此人们不能通过地面指令对它进行遥控，只能依靠飞行器原本设定的程序来操作。

之前日本的火星探测器在这个阶段时没控制好，探索就以失败告终。

这一关过后，“天问一号”就将变成火星的卫星了。但一开始，它的轨道离火星还比较远，不太适合进行科学探测， 这时就可以开动发动机，进行轨道机动，降低探测器的高度，但这种方式会消耗燃料，这对已经长途跋涉的飞行器来说并不可行；另一种方法则是利用火星的大气阻力，让探测器逐渐减速，一点点接近到可以进行科学探测的高度。

这一高度达到后，飞行器就要开始寻找合适的着陆点，抛出着陆器。尽管火星大气层比较稀薄，但着陆器的速度比较快，还是会和火星大气摩擦生热，让着陆器表面像一团火，一般着陆器前面有一个热屏蔽层用来隔热，等到速度降下来后，热屏蔽层就被抛掉，打开降落伞减速。

尽管火星空气稀薄，但因为降落伞比较大，对减速还是起到很大的作用的。当速度降低到一定程度时，降落伞也将脱落，这时着陆器的反冲发动机点火，让速度进一步减低，并悬停在空中一段时间，其间观察着陆点是否适合着陆，查看是否有大的陨石坑和岩石，如果有，就让着陆器平行移动，躲开这些障碍物再进行下落。

当着陆器最后与火星地面接触时，依靠着四条有弹性的“腿”，能起到一定的缓冲作用。从把着陆器抛射出来到着陆器着陆，时间为七分钟，这被科学家们称为“黑色七分钟”，也将是“天问一号”最惊险的一段旅程。

此前欧洲空间局发射的两个火星探测器，两个火星车都在这七分钟的着陆过程中失败了，因为着陆对技术的要求非常高，从地球传信号到着陆器要十多分钟，远大于七分钟的着陆时间，因此在地球的工作人员无法操控，只能依靠着陆器自身设定的程序。

等平安落地后，火星车就开始工作了。这时比较大的风险则是遭遇沙尘暴，沙尘暴覆盖了太阳帆板，会让帆板效率降低，这时火星车可以通过抖动来帮助把沙子去除，像“勇气号”火星车等之前都遭遇过沙尘暴的麻烦。

总的来说，“天问一号”能否成功进入火星轨道，能否躲过“黑色七分钟”，都将是火星探测的关键。而要顺利完成任务，靠的是仪器设计的可靠性和程序设计的合理性。

如成功将让人类更进一步

记者：“天问一号”上会带哪些先进的设备？如何将数据送回地球？

焦维新： “天问一号”装载着大约240公斤的太阳能漫游车，预计将在火星上运行约90天。“天问一号”任务总共有13个科学有效载荷，轨道飞行器上的七台仪器包括两台摄像机、火星轨道地下探测雷达、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以及火星高能粒子分析仪；流动站上安装的六种仪器是多光谱摄像机、地形摄像机、火星探测器地下探测雷达、火星表面成分检测器、火星磁场检测器和火星气象监测器。这些设备采样的数据将被存储下来，定期传回地球。

记者：如果“天问一号”能顺利完成环绕、着陆、巡视的工作，对我国航空航天技术有怎样的标志性意义？

焦维新：先不说科学探测结果如何，如果这三步我们都能完成，就是很了不起的成绩。

目前在国际上，欧洲空间局曾同时发射轨道器和火星车，但两次都失败了；美国基本是单独发射轨道器或单独发射火星车，而只有我们是同时发射轨道器、着陆器和火星车，如果成功了，那就是任何国家都没有做到的成绩，是具有里程碑意义的成果。

具体到科学探测方面，尽管人类已经发射过多台火星车，但每个的着陆地点都不一样，因此得到的结果也是不一样的，只要火星车能正常工作，那我们得到的都将是创新性的成果。

记者：为何世界各国如此重视火星探测？

焦维新：首先是人们对探索未知的驱动力。目前太阳系内的天体几乎都被人类探测过了，这些探测结果极大地拓展了人类的眼界；如果中国能成功探索火星，对人类的进步有着很大的意义。此外，探索地外生命也是人类十分关注的问题。太阳系的几个类地天体，火星的条件还算比较好，相对来讲可能有生命存在。未来我们还可以利用火星的资源来探索更远的天体。

此外，深空探测也将推进人类技术的发展，探索火星需要火箭技术、控制技术、探测技术、时空通信技术等等，这些都将让人类技术向前更进一步。

“火星游”几百年后可期

记者：目前人类技术能否实现飞行器在火星和地球间的往返？

焦维新：我们国家探测火星的下一步目标就是取样返回，美国和欧洲空间局也在策划这件事，但返回需要综合性的技术。首先火星车要能找到最有科学意义的样品，取回来放到返回器里；第二个难点是返回的技术，这是人类从来没有做过的事情，从地球去火星有一个发射窗口，而从火星回地球也有一定的时机，至于怎么抓住这一时机返回地球，人类还没有任何经验，需要不断地探索。

记者：科幻电影中有一些描述火星移民的故事，你觉得会成为现实吗？

焦维新：移民火星的问题要从两方面看，一是必要性，二是可能性。从必要性看，我们在地球上住得好好的，为什么要移民去火星呢？要知道火星无论怎么改造，都不能达到地球那么舒适，与其去改造火星，我们更应该去改造地球上的沙漠，因为让沙漠宜居远比让火星宜居来得更容易也更便宜。因此移民火星没有必要性。

而从可能性来讲，改造火星也不是一点可能性都没有。我写过一本书，叫做《探索红色星球》，其中最后一章叫“火星地球化”，专门谈了改造火星大气层的步骤，从理论上讲，改造火星的时间是800年~1000年；还有一个关键，就是只有地球有磁场能让生物免于过强带电粒子的危害，而火星没有磁场，无论我们怎么改造也造不出磁场来。

因此，集中全世界科学的力量来改造火星是不现实的，但未来随着科学的发展，我们可以制造出载人飞行器登陆火星，建立火星基地，等到几百年以后条件好了，再让人类去火星上旅游，这都是有指望的，人类可以在火星上短期居住、进行科学探索，但目的绝不是为了移民。 武威(摘自《广州日报》)