7月23日12時(shí)41分，由長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭搭載的我國首個(gè)火星探測(cè)器“天問一號(hào)”， 于海南文昌發(fā)射升空?！疤靻栆惶?hào)”將一次性實(shí)現(xiàn)“繞”、“落”、“巡”三大任務(wù)，預(yù)計(jì)抵達(dá)火星軌道時(shí)間為2021年2月11日，著陸器登陸時(shí)間為2021年4月23日。除了期盼“天問一號(hào)”成功登陸火星并探測(cè)火星地質(zhì)、大氣、磁場(chǎng)等信息，本次任務(wù)若成功運(yùn)行也能為2030年中國火星雙程取樣任務(wù)積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 火星探測(cè)項(xiàng)目是繼載人航天工程、探月工程之后，中國又一個(gè)重大空間探索項(xiàng)目，是我國首次開展的地外行星空間環(huán)境探測(cè)活動(dòng)，也是進(jìn)行深空探測(cè)的第二顆星球。前美國國家航空航天局（NASA）太空任務(wù)科學(xué)家李杰信博士 (Dr. Mark, Lee)在其將于近期上市的科普新著《火星，我來了》（科學(xué)普及出版社，2020年）一書中預(yù)言：在未來的50年中，中國將是帶領(lǐng)人類登陸火星的主力。 下文詳細(xì)介紹了此次火星探測(cè)任務(wù)的若干要點(diǎn)，經(jīng)授權(quán)節(jié)選自《火星，我來了》第十二章（略有修改）。

撰文 | 李杰信（前NASA太空任務(wù)科學(xué)家）

不到火星非好漢

《史記》上早已說得清清楚楚：“雖有明天子，必視熒惑所在?！睂?duì)火星的關(guān)注，是中華民族歷史上不變的情懷。中國在月球?yàn)殒隙鸷陀裢蒙w了廣寒宮，也想把紅色的火星和關(guān)云長的赤兔馬掛鉤。中國的“嫦娥”和“玉兔”已成功登陸月球，當(dāng)然下一步，就是要去拜訪火星?；鹦沁h(yuǎn)在天邊，登陸月球和登陸火星所需的太空科技，有質(zhì)上的差異。去火星第一件所需的神器就是一枚大推力的火箭。中國在經(jīng)濟(jì)起飛前的1986年就已經(jīng)開始籌劃這枚大型火箭的前期論證和攻關(guān)工作，前后經(jīng)歷了20年艱難的研發(fā)，終能在2006年10月上馬開始制造這枚火箭。

人類火星探測(cè)全家福圖片。約略估計(jì)，成敗各半。感謝“美國行星學(xué)會(huì)”戴維斯先生授權(quán)刊載｜Credit: Publication permitted by Mr. Jason Davis of The Planetary Society/USA

中國在新世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)和其他各方面的崛起，是人類文明史上的奇跡。中國富強(qiáng)了，才有能力開發(fā)這枚符合現(xiàn)今世界最高水平的強(qiáng)力火箭。這枚火箭有兩個(gè)高階層要求。第一，它的推力要達(dá)到比“長征二號(hào)”高出3倍的25噸級(jí)低地球軌道能力；第二，這枚火箭要使用“非自燃” (non-hypergolic) 無毒性的推進(jìn)燃料。

第一個(gè)要求易懂，火箭要有25噸的低地球軌道推力，才能把有效載荷送到遙遠(yuǎn)的火星。第二個(gè)要求更重要，如此巨大推力的火箭，不好再使用強(qiáng)毒性自燃推進(jìn)劑“四氧化二氮/偏二甲肼”。對(duì)一個(gè)在國際太空科技具有領(lǐng)導(dǎo)地位的大國，最受尊重的選擇是低溫液氫和液氧火箭推進(jìn)燃料。氫氧燃燒后的產(chǎn)物為水，對(duì)地球環(huán)境無害。但低溫液氫和液氧燃料的比重較低，比同等體積的四氧化二氮/偏二甲肼燃料產(chǎn)生的推力小。為了使火箭能攜帶更大的載荷，這類大型火箭的發(fā)射場(chǎng)地越接近赤道，就越能得到地球自轉(zhuǎn)速度給出的附加載荷紅利。于是中國就把這枚名為“長征五號(hào)”，又稱“胖五”的火箭航天發(fā)射場(chǎng)地設(shè)在中國最南疆海南島的東北角文昌市。為了運(yùn)輸便捷著想，火箭的制造工廠就順其自然地設(shè)在了天津。

“十年磨一劍，霜刃未曾試”。2016年11月3日，“胖五”于文昌航天發(fā)射場(chǎng)首次發(fā)射成功。通常新型火箭試射，需三錘定音。2017年7月的第二次試射，第一節(jié)火箭的液態(tài)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)異常，45分鐘后宣布發(fā)射失敗。2019年12月27日，“胖五”第三次試射，成功將“實(shí)踐二十號(hào)”實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星送入赤道上空的地球靜止軌道（Geostationary Orbit）。懸梁刺股十三載，終于鋪好了中國去火星探測(cè)的高速公路。

中國的低溫液氫和液氧燃料推進(jìn)火箭“長征五號(hào)”，又稱“胖五”，經(jīng)30余年的研發(fā)，于2019 年12月27日，試射成功，三錘定音。｜Credit: Creative Commons Attnbution 4.0 International，篁竹水聲

中國要有自己獨(dú)立自主創(chuàng)造出來的火星火箭，才能執(zhí)行自己的火星探測(cè)任務(wù)。中國和俄羅斯2011年11月的合作項(xiàng)目“火衛(wèi)一登陸號(hào)”，就是俄羅斯發(fā)射火箭，中國提供一顆火星軌道衛(wèi)星搭載其上。中國在2011年還沒有火星火箭，但如能把不需要火箭部分的火星任務(wù)所需要的技術(shù)先行演練一下，也是個(gè)求之不得的機(jī)會(huì)。這些技術(shù)可以包括：火星入軌、打開太陽電池板和通信天線、展開地-火間長距離通信和火星地表照相等。但這次中俄合作，就是因俄羅斯的火箭故障，連地球軌道都沒有脫離成功，當(dāng)然更無法輪到考驗(yàn)中國“螢火一號(hào)”的各項(xiàng)性能，就偃旗息鼓了。

2019年初，“胖五”進(jìn)展順利，1月11日，中國在堅(jiān)實(shí)的火星火箭基礎(chǔ)上，正式向世界宣布，“火星，我來了！”

中國決定于2020年火星發(fā)射窗口開放時(shí)期中的7月23日 (下表為火星“沖”的日期和此時(shí)地-火距離)，用“胖五”載著“天問一號(hào)”，首途火星。

“沖”的日期/地球與火星的距離

2003年8月28日到2018年7月27日間，地球和火星在它們橢圓形軌道上“沖”的位置。

去火星的宇宙飛船要在地球落后火星44度時(shí)出發(fā)，才剛好在259天后趕到太陽對(duì)面與火星會(huì)合。宇宙飛船與火星會(huì)合時(shí)，地球已經(jīng)走到了火星前面75度。地球落后火星44度時(shí)，地球的發(fā)射窗口開放，約30天。

中國“天問一號(hào)”任務(wù)包括軌道衛(wèi)星與登陸器和火星漫游小車。軌道衛(wèi)星相機(jī)的分辨率，有中、高兩等級(jí)，在400千米的高度，可看清楚最小到2米大小的地表物體。衛(wèi)星也攜帶了計(jì)磁儀、礦物成分分光儀和火星離子和中性粒子分析儀，另攜有軌道穿透火星地表雷達(dá)?；鹦锹涡≤嚿现糜?00米級(jí)的地表穿透雷達(dá)、多光譜相機(jī)、計(jì)磁儀、氣象儀、地表合成物探測(cè)器及導(dǎo)航相機(jī)等。如這些儀器都能安抵火星任務(wù)工作位置，正規(guī)操作，中國的火星科學(xué)家和工程師們，可在國際同行評(píng)審的刊物上，發(fā)表數(shù)百篇論文。

中國火星漫游小車示意圖｜Credit：CICphoto

略提一下，“天問一號(hào)”的軌道衛(wèi)星和地面的漫游小車都攜有計(jì)磁儀。1975年，NASA發(fā)射的第一個(gè)火星探測(cè)器 “海盜一號(hào)”測(cè)量到火星有極微弱的磁場(chǎng)，是地球的萬分之一?；鹦谴艌?chǎng)雖微弱，但出身詭詐，極可能是區(qū)域性的局部現(xiàn)象?！疤靻栆惶?hào)”天上地下雙管齊下同時(shí)測(cè)量，肯定能進(jìn)一步繪制出更詳細(xì)的火星磁場(chǎng)分布圖。

“天問一號(hào)”除了期盼獲取登陸火星和在火星上運(yùn)作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)外，也為2030年中國火星雙程取樣任務(wù)做準(zhǔn)備?；鹦锹涡≤嚭芸赡軐ふ业揭粔K最適合送回地球的火星礦石，標(biāo)明發(fā)現(xiàn)地點(diǎn)經(jīng)緯度，甚或演練打包處理過程，靜候 2030年地球物流快遞取貨。

中國第一次火星任務(wù)的成功一定得滿足幾個(gè)硬要求：第一，“胖五”一定要把“天問一號(hào)”送入火星軌道；第二，漫游小車一定得登陸成功。日本的第一次任務(wù)連火星都沒追上。而印度聰明取巧，避重就輕，成功至上，只肯試火星軌道衛(wèi)星，入軌成功后就大肆宣揚(yáng)。歐洲航天局兩次火星任務(wù)，軌道衛(wèi)星成功，登陸器皆敗北。

進(jìn)入火星軌道已不容易，登陸火星就更是難上加難了。中國“胖五”經(jīng)過30余年的研發(fā)制作，應(yīng)已造就了金剛不壞之身，把“天問一號(hào)”送入火星軌道，應(yīng)在合理的期盼范圍內(nèi)。登陸火星部分，是墨菲先生的禁臠，略有差錯(cuò)，墨菲先生一定把它抓出來，放大渲染，毫不留情，不搞到車毀機(jī)亡，決不罷休。登陸是火星任務(wù)最困難的部分，通過成功登陸火星的烈焰灼煉，中國將取得太空科技強(qiáng)國的鉆石會(huì)員卡。目前只有美國有鉆石卡會(huì)員，俄羅斯嘗試登陸火星5次，僅“火星3號(hào)”勉強(qiáng)算得上成功，登陸90秒后，儀器只工作了20秒。所以，俄羅斯僅夠得上銀卡資格。

中國登陸火星地點(diǎn)，有兩處選擇。經(jīng)過反復(fù)論證，在2019年9月決定揚(yáng)棄金色平原，以烏托邦平原為登陸首選。烏托邦平原是火星，也是太陽系中最大的隕石盆地，直徑達(dá)3300千米，為火星直徑之半，也是1976年“海盜二號(hào)”登陸地點(diǎn)。

人類登陸火星最給力的幾架探測(cè)器在火星地表的分布圖。新一代儀器的主要目的是實(shí)現(xiàn)人類“跟著水走”的21世紀(jì)火星探測(cè)策略。｜Credit：NASA/JPL

中國火星登陸采取了在火星大氣中以超音速降落傘和反射火箭減速軟著陸。因?qū)Ш胶瓦M(jìn)入火星大氣時(shí)。登陸是火星任務(wù)最困難的部分，通過成功登陸火星的烈焰灼煉，中國將取得太空科技強(qiáng)國的鉆石會(huì)員卡。引進(jìn)的不確定性，登陸的橢圓不定范圍為40千米×100千米，為美國1996 年的“火星探路者號(hào)”登陸橢圓面積的五分之一，但為美國最先進(jìn)“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”新一代全程反射火箭控制登陸橢圓面積的 29 倍。中國在烏托邦平原有兩處候選登陸地點(diǎn)，美國的MRO/HiRISE特別為中國在火星烏托邦平原可能登陸地點(diǎn)之一攝得了一幅高清圖像。

美國的 MRO/HiRISE 特別為中國在火星烏托邦平原可能登陸地點(diǎn)之一攝得的高清圖像。｜Credit：NASA/JPL/University of Arizona

2020年1月23日，中國宣布“胖五”已完成最后一次液氫液氧火箭引擎100秒點(diǎn)火檢測(cè)。通過這個(gè)嚴(yán)格驗(yàn)收關(guān)卡后，“天問一號(hào)”載荷就已可以開始組裝。中國的火星任務(wù)，升火待發(fā)。

人類登陸火星的魔障

2020年的火星發(fā)射窗口，在7月初開始開放。除了中國以外，美國和阿聯(lián)酋也抓住這次火星探測(cè)機(jī)會(huì)，各顯神通，作者在這就不再一板一眼平白直述，只挑些有趣的來說。

又花費(fèi)美國納稅人21億美元的“火星2020”任務(wù)，將攜帶“毅力號(hào)” (Perseverance)漫游車，預(yù)定7月30日出發(fā)，2021年2月降落于“海盜二號(hào)”西南方約 3300千米處的“杰澤羅隕石坑” (Jezero crater)，主要任務(wù)是尋找古代生命的跡象，并仔細(xì)推敲出一個(gè)實(shí)際可行的火星雙程取樣任務(wù)?；鹦请m然大氣稀薄，不及地球的百分之一，好像支撐不了飛機(jī)所需的浮力，但這次美國要送上去一架迷你直升機(jī)，首試在火星地表氣體動(dòng)力飛行器的可行性。

與美國“毅力號(hào)”漫游車（背景遠(yuǎn)處）一起登陸的迷你“火星直升機(jī)偵察兵”示意圖。｜Credit：NASA/JPL

美國有史以來所有登陸火星探測(cè)器的總覽圖?！昂闷嫣?hào)”(Curiosity)和“洞察號(hào)” (InSight)仍在工作狀態(tài)，“毅力號(hào)”(Mars 2020)將在2021年2月18日在“海盜二號(hào)”西南方約3300千米處的“杰澤羅隕石坑”登陸。| Credit：NASA/JPL

火星雙程取樣任務(wù)至為艱難，耗資巨大。從 2020年開始使用漫游小車在火星上實(shí)地考察研究，如能成功，也是 2030 年以后的事。雙程取樣任務(wù)是人類科技文明突破級(jí)的成就，每個(gè)科技大國都想率先達(dá)陣，但現(xiàn)在還在拍胸脯叫板階段。如我們常說的，這是一個(gè)自由的世界，這是一個(gè)浩瀚的宇宙，大家就都撒開歡兒，盡情地去自由叫賣吧。

其實(shí)人類辛勤地經(jīng)營火星探測(cè)，埋在心里頭最深沉的夢(mèng)想還是希望有一天人類本尊能登陸火星。先不談移民，只要能親臨其境實(shí)際考察一番就已心滿意足。人類登陸火星的難度，無可擬比，以作者的科技突破標(biāo)準(zhǔn)，多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的成就也無可比擬。

人類登陸火星之路，魔障重重，第一就是旅途中要長期暴露在強(qiáng)太空輻射環(huán)境，再來就是旅途中的失重、失水、骨質(zhì)疏松、肌肉流失和人體免疫系統(tǒng)變?nèi)醯?。抵達(dá)火星后，如是“合”級(jí)任務(wù)，則至少要停留 455 天，等待回程發(fā)射窗口開放。停留期間，環(huán)境控制及生命支持系統(tǒng) (Environmental Control and Life Support System，ECLSS) 絕對(duì)不能故障。雖有至少 4 名宇航員結(jié)伴同行，心理上依然會(huì)有遙遠(yuǎn)無助、孤獨(dú)寂寞的感覺。人類第一次去火星，肯定是兵馬未動(dòng)，糧食、燃料先行。但可能偶有關(guān)鍵零件材料欠缺，就得就地取材 (In Situ Resources Utilization，ISRU) 補(bǔ)充。在火星上住 455 天，可能需要把地球的益生菌 (microbiome) 和噬菌體 (bacteriophage) 帶上。

再略談一下太空輻射。太空輻射，部分來自太陽，如“太陽粒子事件”。但最兇悍的部分則是來自深不知處的宇宙，統(tǒng)稱宇宙射線 (cosmic rays)。人類的祖先能在地球上健康演化，全得利于地球磁場(chǎng)和大氣的保護(hù)，才能躲過太空輻射對(duì)人類染色體基因的傷害。輻射劑量的單位以希沃特 (Sievert) 計(jì)算。人類一生能承受的輻射總劑量為1希沃特。人類火星之旅，在路上的來回雙程共259×2=518天，近一年五個(gè)月，皆暴露在宇宙射線的淫威之下，太空艙雖有 10 厘米厚的水墻圍護(hù)，但仍然無法隔離極高能量的宇宙射線。據(jù)估計(jì)，去火星的路程，因高能量宇宙射線肆虐，宇航員會(huì)承受250毫希沃特的輻射，來回就是500 毫希沃特，已經(jīng)消耗了人體一生所能承受劑量的一半。所以，宇航員在一生的太空事業(yè)中，只能往返一次火星！

人有惰性，人身體內(nèi)的細(xì)胞更懶。去火星之旅的微重力環(huán)境下，骨骼和肌肉的細(xì)胞馬上會(huì)發(fā)現(xiàn)它們不必再努力辛苦地支撐地球重力下的體重了，于是即刻減產(chǎn)，8 個(gè)多月下來，骨質(zhì)疏松、肌肉流失。別的生理功能也來添亂。在微重力下，儲(chǔ)存在兩條大腿中的體液，開始向全身平均分布。對(duì)上半身而言，平均過來的體液造成充水現(xiàn)象，于是人體大量排水，結(jié)果只能保住在正常重力下95%的體液，置身體于嚴(yán)重失水狀態(tài)（注：對(duì)一位75千克重的宇航員，5%排出的體液約為 3000毫升）。體液少，紅血球、白血球數(shù)目就相對(duì)減少，身體免疫系統(tǒng)隨之減弱。身體長期處于微重力下，甚至連基因的開關(guān)和生產(chǎn)蛋白質(zhì)的機(jī)制都會(huì)發(fā)生約 5%的變化。還好人類在太空站的微重力環(huán)境下已有了連續(xù)生活近20年的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)力沖擊性的運(yùn)動(dòng) (Impact Exercise) 可減慢微重力環(huán)境對(duì)人體的傷害。所以，去火星的宇航員，每天都得綁上強(qiáng)力的橡皮筋，在太空艙中做4小時(shí)沖擊性的運(yùn)動(dòng)。

人類使出渾身解數(shù)，規(guī)劃出未來30年登陸火星所需的科技和各類在太空環(huán)境工作、生活和居住的設(shè)備。美國的太空策略，由白宮掌控，任務(wù)走向常淪落為政客的短期政治籌碼。人類登陸火星計(jì)劃需要跨越現(xiàn)實(shí)的政治時(shí)空尺度，在艱難多變的政治生態(tài)環(huán)境中，穩(wěn)步前行。

下圖是NASA有效運(yùn)用最強(qiáng)大、最符合科學(xué)和工程邏輯發(fā)展出來的人類登陸火星的愿景圖。中間上方兩枚火箭，是美國為登陸火星設(shè)計(jì)出來的專用火箭，上面較小的為25 噸低地球軌道推力級(jí)別，命名“戰(zhàn)神一號(hào)” (Ares I)，推力和“胖五”相當(dāng)，但為載人火箭，造價(jià)至少是非載人火箭的十倍有余。下面的為 188 噸低地球軌道推力級(jí)別的載貨火箭，命名為“戰(zhàn)神五號(hào)”(Ares V)。目前，這兩枚火箭仍在庫藏冬眠期間，耐心等候外界政治環(huán)境復(fù)蘇后再披戰(zhàn)袍出征。

人類登陸火星的愿景圖 ｜Credit：NASA/JPL

火星和地球的距離，在“大沖”時(shí)可近到5500萬千米，約為0.37天文單位，最遠(yuǎn)時(shí)可達(dá)2.5 個(gè)天文單位，雙程通信需時(shí)370~2500秒，即約6~40分鐘。所以，與火星通信，都有較長的時(shí)間延遲，信息基本上都是過去式。人類送上火星的探測(cè)器，皆運(yùn)用人工智能全自動(dòng)操作，只在一些設(shè)計(jì)好的關(guān)鍵時(shí)刻，需要地球基地啟動(dòng)指令進(jìn)行特殊操作程序。目前在火星軌道上布置的幾顆衛(wèi)星，基本滿足地面儀器“好奇號(hào)”“洞察號(hào)”和以后“毅力號(hào)”火-地中繼通信需求。

人類目前在火星軌道上布置的幾顆衛(wèi)星，基本滿足地面儀器火-地中繼通信需求。| Credit: NASA/JPL

地球與火星和其他的外層空間之間的通信，需24小時(shí)暢通無阻。但因地球自轉(zhuǎn)原因，不管任何時(shí)間，有一半以上的宇宙空間不在單一射電視線所及范圍，所以人類圍繞地球每隔120經(jīng)度就得要設(shè)一個(gè)深太空聯(lián)絡(luò)站，彼此相互扶持，以覆蓋與火星24小時(shí)通信不間斷的需求。美國設(shè)置三個(gè)主力“深空聯(lián)絡(luò)設(shè)施” (Deep Space Network，DSN)，一在美國加利福尼亞州南方沙漠中的戈?duì)柕滤雇?Goldstone)，另一個(gè)在西班牙的馬德里 (Madrid)，第三個(gè)在澳洲首府堪培拉(Canberra) 近郊。1998年和2013年經(jīng)特別安排，作者拜訪了堪培拉和戈?duì)?德斯通的 “深空聯(lián)絡(luò)設(shè)施 ”。

經(jīng)特別安排，作者在1998 年和2013 年，前后拜訪了堪培拉（右下角）和戈?duì)柕滤雇ǖ摹吧羁章?lián)絡(luò)設(shè)施”，兩處射電天線直徑分別為72及70米。｜Credit: NASA/JPL

中國的“天問一號(hào)”，如“嫦娥”為“玉兔”準(zhǔn)備的“鵲橋”衛(wèi)星一樣，也為地面漫游小車自備了專用軌道通信衛(wèi)星，將是火-地最新型中繼衛(wèi)星，必要時(shí)一定能和美、歐衛(wèi)星互援，通過“深空聯(lián)絡(luò)設(shè)施”增強(qiáng)人類火-地通信能力。

作者簡介

李杰信，華裔美籍科學(xué)家，美國國家航空航天局（NASA）太空任務(wù)科學(xué)家。2018年4月30日于華盛頓美國國家航空航天局總部退休。

李杰信出生于中國黑龍江省牡丹江，臺(tái)灣大學(xué)物理系畢業(yè)，獲美國加州大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。李杰信曾榮獲NASA“杰出成就獎(jiǎng)?wù)隆薄敖艹龇?wù)獎(jiǎng)?wù)隆钡榷囗?xiàng)榮譽(yù)。他管理的太空飛行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有8位諾貝爾獎(jiǎng)得主參與。在國際太空合作領(lǐng)域，他是一位具有知名度及影響力的人物, 并擁有9項(xiàng)美國專利。

李杰信熱心投入科普教育，在美國創(chuàng)立了美國促進(jìn)中國科普協(xié)會(huì)并出任會(huì)長，致力推動(dòng)青少年科普活動(dòng)；在中國臺(tái)灣，曾獲“李國鼎通俗科學(xué)寫作第一獎(jiǎng)”“優(yōu)良圖書金鼎獎(jiǎng)”等獎(jiǎng)項(xiàng)；曾舉辦兩屆中國青少年航天飛機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，是一位科普知識(shí)傳播者。