太陽系是我們的家園，地球是太陽系中的一顆行星。雖然，從大小看，金星是與地球最接近的行星，但是火星才是太陽系中與地球的環(huán)境最相似的行星[1]。在古代，不管是東方還是西方，人們大多把火星當(dāng)作不吉的象征，因?yàn)樗念伾羌t色的。在西方神話中，火星被視為戰(zhàn)神的象征，代表著戰(zhàn)爭(zhēng)、血腥和災(zāi)難。在公眾眼中，火星的角色幾經(jīng)反轉(zhuǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為最吸引人類前往探索的星球。

火星為何會(huì)逆行

火星沖日是一種常見的天文現(xiàn)象。每當(dāng)天空中火星和太陽分處地球的兩側(cè)，當(dāng)太陽、地球、火星處于一條直線上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)所謂的火星沖日現(xiàn)象。在出現(xiàn)火星沖日天象的前后數(shù)天，黃昏時(shí)，太陽剛一下山，火星就從東方的天空升起；黎明前，火星剛從西方的天空落下，太陽就升起來了。這就好似農(nóng)夫肩上的扁擔(dān)，一頭翹起，另一頭就會(huì)落下。深夜的時(shí)候，太陽照亮了我們腳下的另一個(gè)半球，火星則恰好在我們頭頂?shù)恼戏?，相?dāng)于整夜都可以看到火星。只要天氣晴好，夜幕降臨后，面向東方，你就會(huì)看到地平線上升起來一顆亮星，就像一顆紅寶石，鑲嵌在黑色的天幕中，熒熒如火，熠熠生輝，美艷無比。

火星與地球，就像運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上在第三跑道與第四跑道奔跑的兩位運(yùn)動(dòng)員，它們之間的距離有時(shí)近，有時(shí)遠(yuǎn)，近的時(shí)候只相當(dāng)于跑道寬度的距離，而遠(yuǎn)的時(shí)候則需要橫跨整個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)?；鹦菦_日的時(shí)候，是火星與地球距離最近的時(shí)候，也是從地球上觀測(cè)火星的最佳時(shí)期[2]。航天時(shí)代以前，每逢火星沖日，全世界的天文學(xué)家都會(huì)把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)火星。1610年，伽利略把望遠(yuǎn)鏡第一次對(duì)準(zhǔn)了火星，但那時(shí)的望遠(yuǎn)鏡實(shí)在是太簡(jiǎn)陋了，似乎沒有證據(jù)說明他當(dāng)時(shí)有什么發(fā)現(xiàn)。

很多人在介紹天象時(shí)，喜歡用多少年一遇說明它的罕見性。2020年10月14日，是26個(gè)月一遇的火星沖日。至于觀測(cè)火星的時(shí)機(jī)，其實(shí)不限于火星沖日這一天，沖日前后的兩三個(gè)月，都是從地球上觀測(cè)火星的好時(shí)機(jī)。整個(gè)10月，火星都是夜空中最亮的那顆星，而且長(zhǎng)時(shí)間可見。通過普通的天文望遠(yuǎn)鏡，我們就能看到火星的紅色表面、不同地區(qū)的明暗變化，甚至還能看到白色的極冠。運(yùn)氣好的話，或許還能識(shí)別出長(zhǎng)達(dá)4000多千米的水手大峽谷。

時(shí)至今日，民間仍然有一種說法認(rèn)為，火星沖日和個(gè)人運(yùn)勢(shì)有關(guān)，這是沒有任何道理的。火星沖日時(shí)，地球和火星這兩顆行星在太陽的同一側(cè)，都以逆時(shí)針繞著太陽轉(zhuǎn)，這是一種周期性出現(xiàn)的自然現(xiàn)象。就像操場(chǎng)上跑步的兩位同學(xué)，不管誰快誰慢，多跑幾圈，總有機(jī)會(huì)出現(xiàn)兩人并肩跑的情況。

生活中，你可能聽說過水逆，也就是水星逆行，其實(shí)火星也會(huì)出現(xiàn)逆行。如果長(zhǎng)期觀測(cè)火星，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它在天空中的軌跡（相對(duì)于恒星組成的背景圖案）很是詭異。大多數(shù)時(shí)候往前走（順行），有時(shí)停住不走了（留）。滯留一段時(shí)間后，又開始后退（逆行）。退了一段時(shí)間，又開始往前走了。實(shí)際上，行星逆行是很常見的天文現(xiàn)象，從地球上看，太陽系的所有行星都會(huì)出現(xiàn)逆行，只是有些行星看起來比較明顯，有些看起來不太明顯，但這只是我們從地球上看事物的直覺，并不符合客觀事實(shí)。如果站在太陽系上方俯視，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，火星不會(huì)逆行，水星也不會(huì)逆行，所有行星都不會(huì)出現(xiàn)逆行。其他行星和地球一樣，都繞著太陽逆時(shí)針公轉(zhuǎn)，它們到地球的距離有時(shí)遠(yuǎn)、有時(shí)近。

火星沖日、火星逆行、以及水逆、星座、流星雨，等等，這些都是常見的天文現(xiàn)象，與國家和個(gè)人的命運(yùn)沒有任何關(guān)系。我們?cè)诘厍蛏系纳钪饕芴栆洼椛涞挠绊懀渌行堑囊?、輻射，?duì)我們基本沒有影響。所以，就像莎士比亞曾經(jīng)說過那樣：“掌握我們命運(yùn)的不是星座，而是我們自己?！?/p>

火星探測(cè)器為什么有發(fā)射窗口

2020年7月20日，阿聯(lián)酋發(fā)射了“希望號(hào)”；7月23日，中國發(fā)射了“天問一號(hào)”；7月30日，美國發(fā)射了“毅力號(hào)”火星車。為什么這些火星探測(cè)器都選擇在這時(shí)候飛向火星呢？這是因?yàn)椋?020年7月到8月，是火星探測(cè)器的發(fā)射窗口。

在太陽系中，地球沿著第三條軌道運(yùn)行，火星沿著第四條軌道運(yùn)行，就像城市道路中的三環(huán)路和四環(huán)路。探測(cè)器從地球上發(fā)射后，將沿著發(fā)射時(shí)地球所在的位置，與六七個(gè)月之后航天器抵達(dá)火星時(shí)火星所在的位置之間的拋物線，飛向火星。這條拋物線就像三環(huán)路和四環(huán)路之間的連接線，是從地球去往火星最節(jié)省能量的一條路線，它是由德國物理學(xué)家霍曼（W. Hohmann）通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)的，被稱為霍曼轉(zhuǎn)移軌道。

航天器要順利進(jìn)入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，就要選擇火星位于地球前方44°時(shí)從地球發(fā)射，這一時(shí)機(jī)被稱為火星探測(cè)器的發(fā)射窗口。一旦錯(cuò)過發(fā)射窗口，就要等地球繞太陽再轉(zhuǎn)2圈多，火星繞太陽一圈多，地球和火星回到原來的相對(duì)位置時(shí)再發(fā)射，這一等就是26個(gè)月。

火星探測(cè)器在發(fā)射窗口發(fā)射，最節(jié)省燃料，只需要把從探測(cè)器的飛行速度提高到每秒11.2千米（也就是擺脫地球引力的“第二宇宙速度”）[3]。你可能在想，能不能隨時(shí)都可以去火星，這也不是不可以，但要付出的代價(jià)就要大得多，如果在最不利的時(shí)機(jī)去火星，探測(cè)器需要經(jīng)歷加速、減速、改變方向等過程，這些過程都要消耗燃料，消耗的燃料如果折算成速度變化量，相當(dāng)于要把探測(cè)器的速度變化提高到每秒100千米，相比在發(fā)射窗口去火星提高了9倍，這對(duì)航天技術(shù)是一個(gè)很大的考驗(yàn)，即便能實(shí)現(xiàn)，也很不經(jīng)濟(jì)。所以，要實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)想去就去，任爾馳騁，還需要幾代人的持續(xù)努力。

火星探測(cè)器的發(fā)射窗口，不是火星沖日的時(shí)候，即并不是地球和火星兩者距離最近的時(shí)候，而是在火星沖日之前的2～3個(gè)月發(fā)射的。

火星，中國來了

在太陽系中，火星與地球的環(huán)境最相似，是深空探測(cè)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。世界各國已經(jīng)開展了40多次火星探測(cè)任務(wù)?，F(xiàn)在，中國人開始追趕了。2020年7月23日中午12時(shí)41分，中國在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射了“天問一號(hào)”火星探測(cè)器，正式開啟了中國行星探測(cè)計(jì)劃的漫漫征途。筆者有幸在現(xiàn)場(chǎng)目睹了火箭升空的那一刻，在疫情籠罩的陰霾下，這次成功來之不易。

“天問”一詞源于2300年前我國浪漫主義詩人屈原寫的一首長(zhǎng)詩的題目，表達(dá)了中國人對(duì)天地萬物和人類社會(huì)等自然現(xiàn)象的好奇，展現(xiàn)了中華民族不畏艱難、追求真理的決心和意志。“攬星九天”是我國首次火星探測(cè)任務(wù)的標(biāo)識(shí)，也是中國行星探測(cè)計(jì)劃的整體標(biāo)識(shí)，展現(xiàn)了八大行星環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道，意味著中國不僅將探測(cè)火星，還將探測(cè)太陽系的其他行星及其衛(wèi)星和小天體。“天問一號(hào)”是中國首次火星探測(cè)任務(wù)的名稱，在它之后還會(huì)有“天問二號(hào)”“三號(hào)”“四號(hào)”……用于對(duì)太陽系的其他天體進(jìn)行探測(cè)。

中國火星探測(cè)工程是在探月工程六戰(zhàn)六捷的基礎(chǔ)上實(shí)施的，“天問一號(hào)”繼承了我國月球探測(cè)時(shí)使用的一些成熟技術(shù)[4]。比如，“天問一號(hào)”在最后階段登陸火星時(shí)，采用了像嫦娥三號(hào)那樣利用火箭反推、四條著陸腿的著陸方式。月球探測(cè)與火星探測(cè)有明顯不同。比如，月球上沒有大氣，登陸月球靠發(fā)動(dòng)機(jī)反推就可以實(shí)現(xiàn)減速，但火星就不同了。登陸火星需要穿越大氣層，經(jīng)歷黑色七分鐘（這是約數(shù)，由于著陸方式和計(jì)時(shí)起點(diǎn)不同，也有專家認(rèn)為需要約九分鐘）。首先，利用大氣摩擦減速，就像流星劃過夜空；然后，打開降落傘，進(jìn)一步利用大氣阻力減速；最后，發(fā)動(dòng)機(jī)短暫工作，通過反推進(jìn)行減速。多種減速方式綜合使用，才能成功登陸火星。探月工程的成功實(shí)施，使中國人在開展火星探測(cè)時(shí)更自信?！疤靻栆惶?hào)”三步并作一步走，通過一次任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的環(huán)繞、著陸、巡視三大目標(biāo)，步子邁得更大。

在地球上，我們可以通過北斗衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航，那么，飛向火星的航天器是用什么方式導(dǎo)航的呢？以前，在大海中航行的船只，根據(jù)天上的星星確定航向。在茫茫宇宙中飛行的火星探測(cè)器，則是根據(jù)地球、太陽、恒星的相對(duì)位置變化，確定自己所在的位置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，精確地瞄準(zhǔn)火星。登陸火星表面后，火星車在上下坡的時(shí)候，通過觀察太陽的方位、感應(yīng)重力的方向，來計(jì)算自己的姿態(tài)、評(píng)估安全性。火星車還可通過觀察火星表面的山峰和石塊等顯著標(biāo)志，確定行駛路線。

“天問一號(hào)”發(fā)射之后，從地球所在的“三環(huán)”，飛向火星所在的“四環(huán)”，成為一顆環(huán)繞太陽飛行的人造行星，在追逐火星的道路上飛行。由于深空中沒有阻力，巡航期間的飛行不需要消耗燃料就能維持原有速度，實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力飛行。在“天問一號(hào)”上，安裝了推力為3000牛、120牛、25牛的各類發(fā)動(dòng)機(jī)，目的是精確控制探測(cè)器的飛行姿態(tài)和方向，幫助它始終瞄準(zhǔn)火星，不偏離航線，最終成功抵達(dá)火星。一路上，這些發(fā)動(dòng)機(jī)一共要經(jīng)歷6次點(diǎn)火工作。

2020年8月2日，第一次軌道修正，在離地球超過300萬千米的深空中，3000牛主發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)工作，歷時(shí)20秒，修正了“天問一號(hào)”的飛行軌道，讓它精確地按照設(shè)計(jì)好的軌道飛行。

9月20日，第二次軌道修正。在離地球約1900萬千米的深空中，“天問一號(hào)”上4臺(tái)推力為120牛的發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作，持續(xù)20秒。由于軌道修正的幅度很小，所以不需要用到主發(fā)動(dòng)機(jī)，用小推力發(fā)動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。

10月9日23時(shí)，第三次軌道修正，在離地球2940萬千米中的深空中，“天問一號(hào)”又有新動(dòng)作。推力為3000牛的主發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火，持續(xù)工作8分鐘。這次軌道調(diào)整的結(jié)果是把探測(cè)器所在的軌道，從地球所在的太陽系“三環(huán)”路，轉(zhuǎn)移到火星所在的“四環(huán)”路上。

2021年春節(jié)前夕，“天問一號(hào)”經(jīng)歷了關(guān)鍵一刻。2月10日，經(jīng)過半年多長(zhǎng)途飛行，飛越4億多千米，“天問一號(hào)”與火星在太陽系“四環(huán)”路上遭遇，3000牛的主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一次時(shí)間更長(zhǎng)的點(diǎn)火，經(jīng)過剎車減速，被火星引力捕獲，成為火星的人造衛(wèi)星。這次剎車更為重要，直接決定了火星探測(cè)任務(wù)的成敗。

2月15日17時(shí)，“天問一號(hào)”在遠(yuǎn)火點(diǎn)實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)，3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，將環(huán)火軌道從傾角10°的大橢圓軌道（環(huán)繞赤道），調(diào)整為軌道傾角約86°的極軌大橢圓軌道（環(huán)繞南北極），近火點(diǎn)高度調(diào)整為距離火星表面約280千米。

2月20日20時(shí)，“天問一號(hào)”實(shí)施第二次近火制動(dòng)，進(jìn)入周期約為3.5天的停泊調(diào)相軌道。

2月24日6時(shí)，天問一號(hào)實(shí)施第三次近火制動(dòng)，進(jìn)入近火點(diǎn)高度約280千米，遠(yuǎn)火點(diǎn)高度約57 000千米，周期為49.2小時(shí)（約2個(gè)火星日）的停泊軌道。進(jìn)行了第三次近火點(diǎn)制動(dòng)（剎車），進(jìn)入近火點(diǎn)高度約280千米，遠(yuǎn)火點(diǎn)高度約57 000千米，周期為49.2小時(shí)（約2個(gè)火星日）的停泊軌道，并在這一軌道停留長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月。利用軌道器上的中分辨率相機(jī)、高分辨率機(jī)等科學(xué)儀器，對(duì)火星南北極和預(yù)定著陸區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)勘查，并通過第一手?jǐn)?shù)據(jù)，確認(rèn)了預(yù)選著陸區(qū)的環(huán)境條件，獲取了著陸區(qū)的地形、氣象條件等信息，為登陸火星做好準(zhǔn)備。

4月24日，國家航天局正式公布中國第一輛火星車（即巡視器）的名稱——“祝融號(hào)”。祝融是中國神話中的火神，傳說是三皇五帝時(shí)掌管火種的官員。首輛火星車的名稱源自中國傳統(tǒng)文化，體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)與古代傳統(tǒng)文化的跨時(shí)空接觸，體現(xiàn)了中國人的科學(xué)夢(mèng)想、探索精神、浪漫情懷和文化自信?！白Ｈ谔?hào)”火星車高1.85米，重240千克左右。設(shè)計(jì)壽命為火星上的3個(gè)月，相當(dāng)于約92個(gè)地球日。

5月15日，“天問一號(hào)”著陸巡視組合體（簡(jiǎn)稱：著巡組合體）在火星北半球的烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)著陸，中國成為世界上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)航天器成功登陸火星的國家。烏托邦平原是火星上最大的盆地，直徑達(dá)3300千米。著陸點(diǎn)位于東經(jīng)109.9°，北緯25.1°，海拔約-3800米。按照經(jīng)緯度來比較，相當(dāng)于廣西的桂林。與桂林山水甲天下的喀斯特地貌不同，這里寒冷干燥，寸草不生。但在三十多億年前，這里曾經(jīng)是一片巨大的海洋。而“祝融號(hào)”要探測(cè)的地方，正好是古海洋與古大陸的交界地帶。

5月22日10時(shí)40分，“祝融號(hào)”火星車駛離著陸平臺(tái)，正式踏上火星表面?！白Ｈ谔?hào)”不僅是一輛車，更是一個(gè)機(jī)器人地質(zhì)學(xué)家，它攜帶了6種科學(xué)儀器，用來探測(cè)地形地貌、表面物質(zhì)成分、地下水冰、磁場(chǎng)和氣象狀況，目的是探測(cè)火星表面的地形地貌、物質(zhì)成分、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和氣象環(huán)境等。

火星的照片是怎么傳回地球的呢？我們知道，地球上的地面站與探測(cè)器之間的通信是通過無線電波實(shí)現(xiàn)的，傳播速度為光速。月球到地球的平均距離為38萬千米，所以，月球探測(cè)器與地球進(jìn)行通信時(shí)，幾乎感覺不到延時(shí)，可以在地球上實(shí)時(shí)控制探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)。不同的是，地球到火星之間的距離是變化的，最近的時(shí)候約為5500萬千米，最遠(yuǎn)的時(shí)候，也就是火星與地球分別位于太陽的兩側(cè)時(shí)，兩者間的距離達(dá)4億千米。因此，地面與火星探測(cè)器的通信，面臨著長(zhǎng)達(dá)十幾分鐘的延遲，最長(zhǎng)達(dá)22分鐘，對(duì)火星探測(cè)的影響很大。也就是說，地球上無法隨時(shí)控制探測(cè)器。

如果要求探測(cè)器在特定時(shí)間執(zhí)行命令，地面要提前發(fā)出指令。探測(cè)器收到指令后，才能在規(guī)定的時(shí)間執(zhí)行?！疤靻栆惶?hào)”抵達(dá)火星時(shí)，無論探測(cè)器出現(xiàn)什么意外情況，地面都要在十幾到二十幾分鐘之后才能知道出問題了?？茖W(xué)家和工程師經(jīng)過研究之后，形成探測(cè)器的應(yīng)對(duì)方案，生成處置命令發(fā)給探測(cè)器。十幾到二十幾分鐘后，探測(cè)器才能收到這個(gè)命令。半個(gè)多小時(shí)到四十多分鐘后，地面才能知道探測(cè)器執(zhí)行的指令是否有效。

由于地面站與火星探測(cè)器之間的通信延遲太長(zhǎng)，在大部分情況下，“天問一號(hào)” 和“祝融號(hào)”按照既定的程序工作。同時(shí)，它還必須具備一定的自主處置能力。遇到簡(jiǎn)單問題時(shí)，進(jìn)入故障回路，通過預(yù)先設(shè)定的方案自己解決。遇到復(fù)雜問題自己不能解決時(shí)，探測(cè)器會(huì)進(jìn)入安全模式，把不必要的設(shè)備關(guān)閉，然后等待地面指令。地面控制中心收到探測(cè)器的故障情況，會(huì)根據(jù)故障預(yù)案進(jìn)行處置；遇到特別復(fù)雜的情況，還需要在地面模擬出現(xiàn)的故障，看看處置辦法是否有效，研究后再進(jìn)行處理。

遙望火星移民

進(jìn)入航天時(shí)代以來，探測(cè)器可以飛到火星的附近，甚至著陸到火星表面開起車來?，F(xiàn)代人對(duì)火星的認(rèn)識(shí)，主要得益于火星探測(cè)器得到的結(jié)果，這其中經(jīng)過了數(shù)次反轉(zhuǎn)。從古代神話中血腥的戰(zhàn)神，到日心說建立后成為一顆普通的行星。從望遠(yuǎn)鏡中的模糊影像，到發(fā)現(xiàn)火星上疑似的運(yùn)河。從火星運(yùn)河被航天器證偽，到證實(shí)火星曾經(jīng)宜居。從火星表面環(huán)境嚴(yán)酷，到現(xiàn)在仍然有水，甚至可能還有生命。40多次火星探測(cè)任務(wù)的科學(xué)探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，火星上曾經(jīng)有江河湖海，有過濃密的大氣層，它的氣候曾經(jīng)溫暖濕潤，很適合生命的發(fā)育[5]。即便現(xiàn)在的環(huán)境已經(jīng)惡化，成為一顆荒漠行星，但它仍然是太陽系中除地球之外最適宜人類居住的行星。實(shí)現(xiàn)火星生存，前途漫漫。但每一點(diǎn)突破，都在積累人類走向太空的能力。

（致謝：本文部分內(nèi)容受中國青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會(huì)科學(xué)教育項(xiàng)目2020QFXIP、中國科學(xué)院科技扶貧項(xiàng)目KFJFP-202107的資助。）

[1]大衛(wèi)·M·哈蘭德. 火星全書： 從45億年前至今的火星全記錄.鄭永春， 劉晗， 譯. 北京： 北京聯(lián)合出版公司， 2019.

[2]鄭永春. 火星零距離. 杭州： 浙江教育出版社， 2018.

[3]歐陽自遠(yuǎn)， 鄒永廖. 火星科學(xué)概論. 上海： 上?？萍冀逃霭嫔?， 2017.

[4]鄭永春. “太空地圖”系列——火星全圖. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2018.

[5]鄭永春. 太空地圖： 火星叔叔帶你游太空. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2018.

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