火星，中国来了！

郑永春

从火星冲日说起

火星冲日是一种常见的天文现象，每当天空中火星和太阳分处地球的两侧，太阳、地球、火星在一条直线上时就会出现。火星冲日前后，黄昏时，太阳刚一下山，火星就从东方的天空升起。黎明前，火星刚从西方的天空落下，太阳就升起来了。这就好似肩上的扁担，一头翘起，另一头就会落下。深夜的时候，太阳在我们脚下的另一个半球，火星恰好在我们头顶的正上方，相当于整夜都可以看到火星。只要天气晴好，夜幕降临后，面向东方，你就会看到地平线上升起来一颗亮星，就像一颗红宝石镶嵌在黑色的天幕上，熠熠生辉。

火星冲日时，是从地球上观测火星的最佳时期。航天时代以前，每逢火星冲日，全世界的天文学家都会把望远镜对准火星。1610年，伽利略第一次把望远镜对准了火星。但他的望远镜实在太简陋了，历史上并没有留下什么证据说明他当时有所发现。毕竟在那时，从地球上观测火星还是太远了。

很多人在介绍天文现象时，经常会用多少年一遇说明它的罕见性。2020年10月14日，是26个月一遇的火星冲日。至于观测火星的时机，其实不限于火星冲日这一天，冲日前后的两三个月，都是从地球上观测火星的好时机。整个10月，火星都是夜空中最亮的那颗星，而且长时间可见。通过普通的天文望远镜，我们就能看到火星的红色表面和它的明暗变化，甚至还能看到它白色的极冠。运气好的话，或许还能识别出火星表面长达4000千米的水手大峡谷。

时至今日，仍然有一种说法认为，火星冲日和个人运势有某种关系。这是没有任何道理的。火星冲日时，地球和火星这两颗行星在太阳的同一侧，都朝着太阳的方向，是一种周期性的自然现象。就像操场上跑步的两位同学，不管谁快谁慢，只要一直在跑，总有机会出现两人并肩跑的情况。

你可能听说过水逆，也就是水星逆行，其实火星也会出现逆行。如果长期观测火星，就会发现，它在天空中的轨迹（ 相对于恒星组成的背景图案） 很是诡异。大多数时候在往前走（ 顺行），有时停住不走了（ 留），滞留一段时间后，又开始后退（ 逆行），退了一段时间，又开始往前走。

行星逆行是很常见的天文现象。从地球上看，太阳系的所有行星都会出现逆行，但这只是我们从地球上看事物的直觉，并不符合客观事实。其他行星和地球一样，都绕着太阳逆时针公转，它们到地球的距离有时远、有时近。如果站在太阳系上方俯视，你会发现，火星不会逆行，水星也不会逆行，所有行星都不会出现逆行。

火星冲日、火星逆行以及水逆、星座、流星雨等等，这些都是常见的天文现象，与个人的命运没有任何关系。我们在地球上的生活主要受太阳的引力和辐射的影响，其他行星的引力、辐射，对我们基本没有影响。就像莎士比亚说过的那样：“掌握我们命运的不是星座，而是我们自己。”

火星探测器的发射时机

2020年7月20日，阿联酋发射了希望号火星探测器;7月23日，中国发射了天问一号;7月30日，美国发射了毅力号火星车。为什么这些火星探测器都选在2020年7月飞向火星呢？这是因为，2020年7月—8月，被称为火星探测器发射的“窗口期”。

在太阳系中，地球沿着第3条轨道运行，火星沿第4条轨道运行，就像城市道路中的三环路和四环路。探测器从地球上发射后，将沿着发射时地球所在的位置，与半年多之后航天器抵达火星时火星所在的位置之间的抛物线，飞向火星。这条抛物线就像三环路和四环路之间的连接线，是从地球去往火星最节省能量的一条路线，由德国物理学家霍曼通过计算发现，被称为霍曼转移轨道。

航天器要顺利进入霍曼转移轨道，就要选择火星位于地球前方44 时从地球发射，这一时机被称为火星探测器的发射窗口。一旦错过发射窗口，就要等地球绕太阳再转2圈多，地球和火星回到原来的相对位置时再发射，这一等就是26个月。

火星探测器在窗口期发射最节省燃料，只需要把从探测器的飞行速度提高到11.2千米/ 秒（ 即摆脱地球引力的第二宇宙速度）。也许你还希望随时都能去火星，这也不是不可以。只不过，如果在最不利的时机去火星，探测器需要经历加速、减速、改变方向等，这些动作都需要消耗燃料，消耗的燃料如果折算成速度变化量，相当于要把探测器的速度提高到100千米/ 秒，相比发射窗口期去火星的速度提高了9倍，这对人类现有的航天技术是一个巨大的考验，即便能实现，也很不经济。所以，要实现火星探测想去就去，任尔驰骋，还需要几代人的持续努力。

火星探测器发射的时候，不是火星沖日的时候，即并不是地球和火星两者距离最近的时候。因为火星和地球都在往前走，如果在两者距离最近时发射，按目前的轨道运行，探测器显然会错过火星。所以，火星探测器是在火星冲日之前的2～3个月发射的。

天问一号的火星之旅

在太阳系中，火星与地球的环境最相似，是人类深空探测的重点。世界各国迄今已经开展了40多次火星探测任务。现在，中国人开始追赶了。

2020年7月23日中午12时41分，中国在海南文昌航天发射场发射了天问一号火星探测器，正式开启了中国行星探测计划的漫漫征途。

“天问”是2300年前我国浪漫主义诗人屈原写的一首长诗的题目，体现了中国人对自然和宇宙空间探索的文化传承，展现了中华民族不畏艰难、追求真理的决心和意志。“揽星九天”是我国首次火星探测任务的标识，也是中国行星探测计划的整体标识。标识展现了八大行星环绕太阳运行的轨道，意味着中国还将探测太阳系的其他行星及其卫星和小天体。在中国首次火星探测任务天问一号之后，未来还会有天问二号、三号、四号……对太阳系的其他天体进行探测。

中国火星探测工程是在探月工程六战六捷的基础上实施的，天问一号继承了我国月球探测时使用的一些成熟技术。比如，天问一号在最后阶段登陆火星时，就将采用像嫦娥三号那样火箭反推悬停以及4条着陆腿的方式。

月球探测和火星探测也有很大不同。比如，月球上没有大气，登陆月球靠发动机反推就可以实现减速，但火星就不同了。登陆火星需要穿越大气层，经历黑色7分钟。首先，利用大气提供的阻力，摩擦减速，就像流星划过夜空;然后，打开降落伞，进一步利用大气阻力减速;最后，发动机短暂工作，通过反推进行减速。多种减速方式综合使用，才能成功实现登陆火星。由于探月工程的成功实施，我们在开展火星探测时更自信。天问一号三步并做一步走，要通过一次任务，实现对火星的环绕、着陆、巡视三大目标，步子跨得更大。

以前，在大海中航行的船只，根据天上的星星确定航向。在茫茫宇宙中飞行的火星探测器，则是根据地球、太阳、恒星的相对位置变化，确定出自己所在的位置，实现导航，精准地瞄准火星。登陆火星表面后，火星车上下坡的时候，通过观察太阳的方位，感应重力的方向，计算自己的姿态，评估安全性。火星车还可以通过观察火星表面的山峰和石块等显著标志，确定行驶路线。

天问一号发射之后，从地球所在的三环，飞向火星所在的四环，成为一颗环绕太阳飞行的人造行星，在追逐火星的路上飞行。由于深空中没有阻力，巡航期间的飞行不需要消耗燃料就能维持原有速度，实现无动力飞行。在天问一号上，安装了推力为3000牛、120牛、25牛的各类发动机，目的是精确控制探测器的飞行姿态和方向，帮助它始终瞄准火星，不偏离航线，最终成功抵达火星。一路上，这些发动机一共要经历6次点火工作。

2020年8月2日到2020年10月9日，天问一号经历了3次轨道修正，实现了从地球到火星的轨道转移。2021年2月10日，春节前夕，天问一号经历了关键一刻。经过半年多、4亿多千米的长途飞行，天问一号抵达火星。它与火星在太阳系的四环路上相遇，3000牛的主发动机进行了一次长时间的点火，经过刹车减速，天问一号成功被火星引力捕获。2021年2月24日，天问一号成功实施第3次近火制动，进入预定的火星停泊轨道，开展科学探测，为登陆火星做准备。经过轨道调整，我们的天问一号计划于2021年5月登陆火星。

地球上的地面站与探测器之间的通信，是通过无线电波实现的，传播速度为光速，30万千米/ 秒。月球到地球的平均距离为38万千米，所以，月球探测器与地球通信时几乎感觉不到延时，我们可以在地球上实时控制探测器的运动。不同的是，地球与火星之间的距离是变化的，距离最近时约5500万千米，最远时能达到4亿千米。就像两位运动员在相邻的赛道上绕着运动场跑步，两人之间的距离有时只相当于跑道的宽度，有时却相当于整个运动场的直径。因此，地面与火星探测器的通信面临长达十几分钟的延时。这对火星探测的影响很大，也就是说，地球上无法随时控制探测器。

从地球发出的指令到达探測器最长需要22分钟。如果要求探测器在特定时间执行命令，地面要提前发出指令。探测器才能在规定时间执行。天问一号抵达火星时，无论探测器出现什么意外情况，地面都要在十几到二十几分钟后才能知道。地面对这些意外情况进行研究，形成应对方案，生成处置命令后发送给探测器。十几到二十几分钟后，探测器才能收到这个命令。半个多小时到40多分钟后，地面才能知道探测器执行的指令是否有效。

由于地面站与火星探测器之间的通信延迟太长，在大部分情况下，天问一号是按照既定的程序工作的。同时，它还必须具备一定的自主处置能力。遇到简单的问题时，自主进入故障分支，通过预先设定的方案自己解决。遇到不能自己解决的复杂问题时，探测器会进入安全模式，关闭不必要的设备，等待地面指令。如果遇到特别复杂的情况，地面工作者还需要在先模拟出现的故障，试验应对方案是否有效，研究后再进行处理。

遥望火星移民

进入航天时代以来，探测器可以飞到火星附近，甚至着陆火星表面，并在上面驾驶火星车。现代人对火星的认识，绝大部分已经与天文望远镜无关，这主要得益于火星探测器得到的结果。科学探测的结果发现，火星上曾经有江河湖海，有过浓密的大气层，它的气候曾经温暖湿润，很适合生命的发育。即便现在的环境已经恶化，成为一颗荒漠行星，但它仍然是太阳系中除地球之外最宜居的行星。

设想我们如果在火星上生存，需要解决哪些问题呢？

第一是解决水的问题。水是生命之源，火星两极本身就含有丰富的冰山，地下也有冰层，而冰化为水汽后，可以被人类现有的技术轻易提取。除此之外，还有一些方法也可以收集到可用的水源。例如，通过加热土壤收集水，通过大气冷凝提取其中的水汽，都是可行的方法。不过，这些途径需要的技术更复杂，也更昂贵。

第二是解决食物问题。火星的土壤与地球土壤有相似的成分。虽然火星上的太阳光比地球上更弱，但可以通过光线的收集增强或人造光源，来满足植物光合作用的需要。通过在土壤中加入有机质和微生物群落，使之更接近地球土壤。现在的技术已经可以实现改造火星土壤，从而实现种植的目的。

第三是氧气供给。火星的大气中约有95% 是二氧化碳，氧气含量不足以支持人类呼吸。不过，现有技术已经给出了很好的解决方案。麻省理工学院的科学家发明了一种制氧机，利用反向燃料电池的原理，可以将火星大气中约95%的二氧化碳转化为78% 的氧气，余下的一氧化碳作为副产品排出制氧机，还可以作为燃料使用。2020年7月，这台制氧机随美国的毅力号火星车前往火星，2021年2月19日抵达火星开始测试。从一开始，这台制氧机就被设计为可以扩展到现有规模的100倍大小，如果试验取得成功，可以制造一个人一生都用不尽的氧气。

第四是建造住所。刚登陆火星时，我们可以住在密封的充气庇护所，或是登陆舱中。由于火星大气层很稀薄，强烈的紫外线会损害人的健康，宇宙射线甚至会改变我们的DNA。因此，躲进地下，建设地下城市可能是一个明智的选择。

第五是解决服装问题。火星上空气稀薄，因此昼夜温差极大。白天，最热的地方温度超过21℃，夜间气温下降到-70～-80℃。全球性的沙尘暴时有发生，甚至会持续数月。因此，需要制造特殊的火星服，不仅要求足够坚固，能让人适应火星的低气压，还要让我们的身体保持正常的温度。麻省理工学院的科学家研制了一种光滑紧身的火星服，可以满足身体保暖和火星生存的需要。在现有空间站宇航服的基础上改进而成的两款火星服也可以满足这些需求。

水、氧气、食物、住所、服装，似乎在火星生存的一切条件已经满足了，移民火星指日可待。不过，真正移民火星远远要比这困难得多，也复杂得多，还要做好更多的准备。地球到火星的旅途长达数月，空间狭小，物资匮乏。要从地球上我们已经适应的重力环境，到发射时的超重，飞行途中的失重，到进入火星大气层时再次超重，再到登陆火星后仅有1/3于地球重力值的火星重力，人的生理状态会发生显著的变化。几年之后，你应该还会回到地球，就需要再经受一遍相反的重力体验。这种过山车式的重力变化，不是柔弱的人体可以承受的。登陆之后，面对无尽的荒凉和难以忍受的孤独，对人的心理状态，也是一个巨大的考验。因此，要实现火星生存，前路仍然漫漫。但每一点突破，都在积累人类走向太空的能力。