-- 写在“天问1号”出征之前 --
刘忠战
“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，谁能极之？冯翼惟像，何以识之？……”
---- 屈原·《天问》----
两千三百年前，一位桀骜诗人仰天问难，留下了千古名篇《天问》，激励后人昂望星空、探寻真理。继2018嫦娥登月之后，中华大地又一场“火星探测”大戏即将上演，向更深、更远的宇宙星际发起挑战。
火星，古称“荧惑”，易传五行之一，“火星车”被冠名《天问》，注定是一次满含诗意探天工程。
一、 荧惑厥驰 ，福兮，祸兮？
太阳系八大行星中，按运行轨道排列，地球排行老三，内道紧靠金星，外道毗邻火星（图1），
既往的探星工程，各国为何都选择火星，而不选大美人----“金星”？在中、西文化里，火星预兆“战乱”和“灾祸”，中国古史里描述的火星，总是用：行为诡异，荧惑厥驰，大逆不道（逆行）来形容，每遇“荧惑守心”（即火星与心宿的另一红星会合）人间必临大祸。据《史记·始皇本纪》载：秦三十六年，荧惑守心，有陨石落东郡，民间好事者在石上刻“始皇帝死”，始皇闻知，派御史查问，因无人认罪而尽杀周围住民。现在看来，这分明是诬言者自招之祸，与“荧惑守心”又有何相干？细考古典，此类史传不止一例，不知写史者为何要让“荧惑”背上黑锅？
其实“古传”与现实相反：被赞美的金星徒有美丽外表，它外层包裹25公里厚的浓云，“空气”充满酸雾，地表温度高达500°C，气压超过地球90倍，是普通航天器根本无法进入。火星，则别有一番天地：地表有稀薄空气、地下有冰水，地表 -63°，昼夜时长与地球相当（24小时37分）。特别是1877年，意天文学家斯基亚帕雷发现火星上竟有“运河”；另一美国天文学家霍尔发现火星上有两个 “小月亮”，这些资讯引起“火星有过生命活动”的联想。虽然暂不宜居住，但它与地球同处太阳系“宜生带”，其“自然环境”仍有改造的可能，是可能移民星球，为什么不去哪里打探一下呢？
二、 发射，为何选在七月？
我们知道，地球和火星分别跑在环绕太阳的第3、第4道，地球一圈用365.25天，速度30km/s；而火星用687天，速度24km/s，地快火慢，是一个不断重复的圆周追及运动，从地球上看火星，会看到顺行和逆行两种运动。每隔778天（26个月）两者相遇一次，距离最近，古称“火星冲日”，此时看火星，看起来比平时大得多，图2左右分别为2003年8月“大冲”和1995年2月的背远视图，两者相差约一倍。
火星运行在椭圆轨道上（偏心率e =0.093），如果“冲日”正好发生在火星离太阳最近的“近日点”，那就近上加近了，这被称为“大冲”，这种机会可不常有，约15—17年才有一次，2003年8月是绝好的一次“大冲”，世界上就有三次“探火”发射。接下来的2018年8月是又一个较好的“大冲”，被美国人抓住了机会，成功发射了“洞察号”。今年的“冲日”将后移至9月末，稍稍偏离了近日点，所以“天问”只能沾点光，最近时约5,600万公里。“天问”选在7月23日--8月5日发射 ，约在明年2月11--24日抵达，9月末的“冲日”正好夹在今年7月----明年2月中间，这个时段，地球正好处于火星的前、后两侧不远处，是最佳的观测和调控位置，过早或过晚都会失去近距离测控这个时机。
三、 三点引力下的“变轨术”
“探火”工程的历史很残酷：60年里共有46次发射，失败远大于成功！从1960年前苏联的“火星1A”失败，到2018年美国“洞察”号成功，全球“探火”成功登陆的仅8次，另有6次仅做到“绕飞”。宇航鼻祖俄罗斯，有21次发射，仅1次成功。亚洲国家日本和印度，各发过一次，日本项目宣告失败，誓与中国一较高下的印度却获得了成功，虽只实现绕飞，但“超越中国”的“荧火1号”，足以使印民自豪。以上这段小史算是“天问”开演的“前情提要”，我们的《天问》是明知山有虎偏向虎山行的挑战之旅。美、俄、欧、印、日必会“强烈关注”，每一个细小环节都是看点。“天问”1号的雄心远高于印度的“曼加里安”号，它要实现一次发射完成美国60年来实现的全部目标，意义非凡！
约4亿公里的行程，将跨越地、日、火三个引力交织区，处处有“迷局”，步步犹“惊心”，一步错，可能万劫不复。不仅考验运载火箭技术实力，更考验通信、测控、人工智能等等综合能力，是中国综合国力的一次大考。
从地球到火星漫长的飞行，除了轨道矫正的极短时间消耗动力外，绝大多数行程都是静默的惯性飞行状态，在万有引力与惯性力相平衡状态下，太空航线是椭圆曲线或抛物线，经历“绕地”、“绕日”、“绕火”三种圆轨道的衔接，“天问”将走出太空“狐步舞”。航天术语：“霍曼转移轨道”加“矫正”。
“ 霍曼转移轨道”，是德国工程师瓦尔特·霍曼1925年提出的。当航天器在圆轨道或椭圆轨道飞行时，它处于无动力“惯性飞行”态，只有当由一个圆轨道转移到另一个更大的圆轨道时，才需要额外加力。霍曼原理给出了最小耗能的变轨方式。如图3所示，当地球卫星需要由低轨道R0冲向更高的轨道R1时，应在近地点（M1）加力，因为借助于地球的引力，火箭在近地点具有最大速度（轨道越扁，近地点速度越大），在高速点施加冲量（F·t），会比其它位置获得更大的动能。当需要维持在一个大圆轨道（R’）上长期运行时，需要在远地点（M2）加速，这是因为在M2点加速，需要较小的冲量（这个看似玄妙的原理，物理爱好者可用开普勒第二定律和动能定律给出证明）。
发射“天问”，目的是脱离地球引力束缚飞向火星，所以需要多次在M1点加速，使椭圆轨道不断拉长，当速度达到第二宇宙速度（V2=11.2km/s）时，火箭将被“抛”出去，不再返回地球，抛出的方向是大致沿着地球公转方向，因为可借助地球原有的公转速度，更易进入绕太阳的行星轨道，也是追赶火星的轨道。有人将这个过程比作抛链球，运动员通过多次旋转、加速、当速度达到最高时，将链球抛出（图4），虽不完全相同，但也有相似之处。
接近火星时，会被火星引力“捕获”，进入绕火星飞行的椭圆轨道，再逐渐变轨到小圆轨道，最终降落到火星地面上，这个过程与地球上的“变轨”、“抛出”原理相同，只是加力的方向相反。图5表示从太阳系看，“天问”号由地球到火星的全部行程，它的要点综述如下：
① 地面发射
火箭从地面起飞，加速到第一宇宙速度（7.9km/s），具有绕地球圆轨道O0飞行的能力，这是执行其它轨道转移的基础。
②椭圆转移
为了增加火箭的动能，使它具备“冲”到更高轨道上的能力，在近地点M1加力，进入椭圆轨道01，通过M1点多次加力，转移到更长的椭圆轨02。根据火箭功率，椭圆过渡次数不同，嫦娥1号，用了三次以上椭圆转移，而嫦娥2号仅用了一次就直奔月球。印度发射“曼加里安”号，因火箭功率小，用了7、8次椭圆转移才离开了地球，这种发射方法叫做“用时间换动力”，虽然拉长了发射时间，但却节省了造火箭的费用，印度因此也赢得“最小费用探火工程”的美誉，也是一种成功。
③奔火之旅
火箭最终被“抛”出地球引力圈，冲上“ON”轨道，ON是经过事先计算可与火星交会的一个大椭圆轨道，冲出地球后，火箭将自动降速，速度将介于地球与火星的速度之间，过高或过低都会失去与火星交会的机会，在M2—M3行程段，火箭相当于太阳系的一个小行星，占据地球与火星之间的轨道。当过M3点后，身份逐渐转变，进入火星的引力的范围，被火星“捕获”而成为“火卫家族”的成员。
④变身“火卫”
过M3后，火箭将“刹车”使相对火星的速度降至3.5km/s左右（火星上的第一宇宙速度），成为环绕火星飞行的一颗小卫星，加入到火卫家族中，因火星外围轨道上，已有其它早期“探火”抵达的卫星，所以“天问”结束六个多月的寂寞孤行，气氛会逐渐热闹起来，这时，会有火星地面的扫描图像被传回地球时，“探火”工程基本上达到了印度“曼加里安”号的水平，但目标远不在此，赶超美国“洞察号”的重头戏还在后头。
四、 软着陆，惊心“8分钟”
在2---4月的环绕飞行中，飞行器会对火星表面地形进行扫描，选择有利的着陆点。按计划，明年4月23日前后实施软着陆。这将是探火工程最关键的一步，惊心动魄的“8分钟”将是万众瞩目的时刻。此时地球超前火星约2.7亿公里，向地球上传递信号需要15分钟，所以着陆过程遇到的任何突发事件，地球上来不及作出反应，软着陆过程是由着陆器自主控制完成的，因为通信延迟，我们也不会看到实时着陆画面。软着陆如果完成，15分钟以后才能看到结果。我们普通观众只能等着看录像了。
据发布信息：着陆过程分为4段：第一，进入火星大气层，利用大气阻力减速，从自由坠落的4.8km/s减到460m/s，历时290秒；接下来打开降落伞，历时90秒降到95m/s；再随后用反推发动机减速到3.6m/s，到离地面100米高度上“悬停”，对火星地表再作最后的观察，选定安全位置降落。这与嫦娥软着陆过程类似，但比嫦娥多了伞降过程，这得感谢火星上尚存的一点稀薄空气。
五、 横贯太阳系的通讯链
火星上的软着陆与嫦娥月背着陆过程类似，地-火距离是在不断变化中，是地-月距离的数百乃至上千倍。信号的衰减按平方反比率计算，会比地-月通信弱数万乃至百万分之一。地-火间的通信没有象嫦娥通信所依赖靠的“鹊桥”中继卫星，只能靠地面上建造超大口径天线来增大发射/接受功率。
图6 是新装配的70m大口径天线，与探月任务不同的是，探火工程将采用布置在不同地点的多台大口径天线组合来实现星际通信，如用GRAS-4天线与北京密云GRAS-1（50米口径）、GRAS-3（40米口径）、云南昆明GRAS-2（40米口径）等联合组阵，同时接收，进行数据合成，提高链路传码率。新装的GRAS-4天线总重2700吨，高72米，面积相当9个篮球场。除能接收火星探测的数据外，还可以接收其他行星或其他深空探测器发来的数据，为以后更远的星际探测打好基础。这种通信方案也是首次，效果如何，也是重要的看点。
六、 期待中，“天问”之问
软着陆成功后释放火星车，“天问号”就算正式上班了。这些年国际上的“探火”热，已经演变成“国力竞赛”，有如奥运赛场上人们只关注谁跑了第一，并不在意跑去做了什么。“探火”竞赛中，多数人并不关注到火星上能探测什么,能去转悠一次，就算成功。随着地-火交通成为通用成熟技术，人们会将注意力放在“探测什么”上。其实科学家们，对火星探测抱有两个兴奋点：即太阳系演化史和生命演化史。
让我们回到本文的开头，思考屈原之问，《天问》长篇，提出一百七十多个问题，囊括宇宙形成、日月运转、天人感应、大地形状、命运吉凶、神话史传等等，在哲人眼里，也许就是“那三个”最基本的哲学命题：“我是谁？我从哪里来？我到哪里去？”，宇宙演化出了人类，人类进化出了“悟性”，再用悟性去了解自身，了解孕育自身的那个宇宙，这个认知“轮回”的实质，是“宇宙自己在了解自己”。这就是宇宙孕育生命的意义。“探火”犹如宇宙考古，火星上的“原始”和“蛮荒”正好带有太初信息，研究那里的地形、土层结构、化学成分、可能为我们解开“遂古之初，谁传道之？”找到一些答案。太阳系行星的形成，素有尘埃漩涡凝聚说和中心抛离说的悬疑；太阳系是迄今为止宇宙间唯一演化出生命的地方，它一定有独特的未解之谜。“天问”之问，在我们的热切期待之中。
＜附：文中数据属“漫话”科普性估算，确切数据以发射公布为准。＞
2020/6/27
网友评论