第506期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《奔向火星》
讲座题目：透视新科技——奔向火星
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：耿 言，国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长。
刘建军，中国科学院国家天文台研究员、首次火星探测任务地面应用系统总设计师。
讲座时间：2023年11月6日～11月12日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——奔向火星
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。自2020年的7月，天问一号发射成功之后，就开始了中国人探索火星之旅。天问一号经过了近三百年的飞行之后，它到底经历了什么，又执行了哪些任务呢？我们通过短片来进入今天的节目。冥昭瞢暗，谁能极之。大约2300年前，诗人屈原用长诗《天问》向宇宙洪荒、天地自然发问，表达了中华民族对自然和宇宙空间的探索精神，而中国的行星探测任务也被命名为“天问”系列。2020年7月23日，中国首个火星探测器天问一号，载着我们的好奇与向往奔向火星，去寻找答案。探测火星是人类太空飞行中最具挑战性的壮举之一，从1960年苏联发射火星1-A号，首次尝试对火星进行飞掠探测。至2020年6月底，全球共实施了44次火星探测活动，其中只有19次全部取得成功。天问一号虽然起步晚，但起点高、创新强，一次性实现火星环绕、着陆、巡视三大目标，这样的任务形式在世界上也是首次。火星的探索之旅为什么如此艰难？天问一号又是如何过五关斩六将，成功被火星捕获的呢？
首先，我们给大家介绍一下今天请来的两位科学家，一位是国家航天局探月局航天工程中心深空探测总体部部长耿言，欢迎您！另外一位，是中国科学院国家天文台研究员、首次火星探测任务地面应用系统总设计师刘建军，欢迎您！您好！刚才我们在短片当中看到的情况是，说人类对火星的探测任务一半都以失败告终。失败的原因到底是什么？两位给我们讲一讲。航天任务本身就是一个高风险的行业，但是总体上来讲，大概有三个方面。第一个方面，是我们对于火星本身的不了解。对于空间环境本身，尤其是在探测的早期，对它的了解很不深入。这里边有一个矛盾，就是说我们为什么要去探测它，是因为我们不了解它，我们不知道它，我们才要去了解它。但是对于一个航天器的设计来讲，它就像像我们一次孤身探险一样，我们对对象了解得越清楚，我们这个设计上应对它各种条件准备得越充分。所以我们需要更多地了解它，才能够设计出一个更可靠的航天器。第二个，是人类应该说1957年发射了第一颗人造卫星。但是第一次探测火星是什么时间呢？
1965年，实际上是探测火星的起步和人类航天活动的起步基本上是同时的。那么在那个时期，人类自身的能力和水平还是很初级，所以失败是很正常的。第三个方面，就是说航天任务是一个非常复杂的任务，固有的风险很大。咱们举个例子，比如说我们这次的天问一号探测器的电子设备里边，大约我们统计用了15000支电子元器件，任何一支元器件出现问题，都有可能导致整个任务失败，所以它固有的这种风险一直存在，到目前为止航天仍然是世界上，风险最大的工程之一。我觉得是对火星的环境的不确定性导致的，为什么说火星的环境不确定性？因为我们对火星的认识实在是太少了，举个简单的例子就说咱们地球做天气预报，也许很多地方，大家都会抱怨说这个天气预报不准确。这是建立（在）了有多少观测数据的前提下，我们去做的预报，还有这样的不确定性。上千年的历史。对，那在火星呢，我们有多少数据，没有多少数据，所以它的这个大气模型实际上是非常不准确，或者是不精确的一种状态。那在这样的一种情况下，你不确定那你要落就很难，就很多风险。比如说风往哪边吹，然后风的大小是多少，都是可能会导致你这个落得失败的。这么大的失败的成本，我们探索它的背后的意志是什么？
首先我觉得是大家非常好奇，所有的老百姓也好，或者科学家也好，对火星的探索都是建立在好奇的基础上，我希望了解火星上到底有什么，然后它能为我们人类做什么贡献。所以我想三个方面，第一个方面的话就是关于生命，火星上有没有智慧生命？现在告诉你，没有智慧生命。那还要不要去探索，那有没有微生物，低等的生物，现在来看好像也没有。好了，我们又退一步。它以前有没有生命，古环境下面，火星上有没有生命。也许有，但是不知道。还有一种就是说，火星上有没有适应于人生存的环境，或者生物、生命存在的环境。第二个方面是，认识咱们太阳系里面行星的演化，有一句话叫不识庐山真面目，只缘身在此山中。人类在研究地球的时候，很有可能觉得我们是站在地球上来（考量）。那么我们如果跳出地球，去研究地球的兄弟姐妹，比如说火星，也许我们可以反过来对地球有更多的认识。第三个我认为是对火星的长期改造，人类是不断地希望去新的领域里面，去拓展自己的生存空间的。而火星跟地球有很多相似的地方，那么有没有可能，能够在火星上进行长期的改造以后，适应于人类的生存，就刚才提到有没有可能在火星上种菜。我以后能不能长期在火星上，进行生存等等这些，我想大概这三个方面。一说到火星，人类永远充满了好奇心，说到这儿，我们来看一段相关的短片。
火星是太阳系由内往外数第四颗行星，属于类地行星。火星和地球形成时间相仿，它们一样拥有固体外壳，同样拥有高山、峡谷以及龙卷风。在火星上，同样有冬去春来、季节更替，火星表面大气压仅为地球的百分之一。从上世纪60年代，人类便开始了对这颗红色星球的探索。2020年7月20日，阿联酋希望号火星探测器发射升空。7月23日，中国首个火星探测器天问一号成功发射。7月30日，美国毅力号火星探测器发射成功，为什么火星探测器会出现集中发射的现象？这次跟我们的天问一号，一同发射的还有美国的毅力号，还有阿联酋的希望号，为什么会出现这种扎堆发射的这种情况呢？要开展火星探测，它不是一场（趟），能够说走就走的旅行，有很多条件和限制。其中最重要的一个，它要靠火箭的能力。火箭的能力能不能提供足够的能量，让我们说走就走，很可惜。
我们目前各个国家的火箭还都做不到这样，我们需要找一条最节约能量的路径，使我们能够到达火星。探测器从地球出发以后，会在太阳的作用下沿一条椭圆轨道运行。出发的时候，正好地球处于这条探测器运行，这个轨道的近日点，到达的时候，正好处于这个轨道的远日点。在这种情况下，我们能够更大地利用地球公转给它提供的一个初始速度，因为它到了远日点，应该是探测器的速度最慢的时候，在这个时候要进行制动，当然在它越慢的时候，我越制动更容易一些，更节省能量。这个轨道跟这个火星和地球的运行关系有关，跟它的运动规律有关，我们知道地球绕太阳转一周365天，就是我们说的一年。那么火星的一年是687天，这两个星球碰一次面，它们的会合周期大概是780天。从地球出发的时候绕一个半椭圆的轨道，到火星的时候正好跟火星交会。在出发的时候，火星正好运行在地球前面，按角度算大约四五十度的这么一个位置，只有在这个位置情况下发射探测器正好运行到这条轨道的。另一端的时候，火星也走到这儿，那么这个就是一个会合周期，也就是26个月，大概是780天。才有这么一次的发射机会，一次大概也就是一个月的时间，你必须在这一个月内打出去，才满足这样一个位置关系。
这个规律，对世界各国都是一样的，所以各国的任务只要是大家想去，就会出现这种扎堆的情况。大家都是公平的，既然发射窗口是相同的，为什么这三个探测器，它的动作却是截然不同的。这个主要取决于各个国家探测的目的，对于希望号来讲，它的任务目的是要发射一颗火星的气象卫星。它去研究火星的气象，适合于用轨道探测的方式去探测，它要成为阿拉伯世界第一个开展火星探测的国家，毅力号的目标是什么呢？它要去寻找火星生命的证据，因为曾经有一段时间的火星布满了水，有全球性的海洋，认为那个时候可能会有生命存在，那么它要去寻找这个生命存在的证据，为它的后续的火星取样返回，搜集样品，这必然就决定了它着陆巡视这么一个探测方式。对于我们国家，这是我们的第一次火星探测任务，我们要开启我们国家行星探测的步伐。我们要独立自主地掌握，火星探测的核心技术，我们要建立我们自己的工程体系，我们要开展高水平的科学任务，带动我们国家的行星科学的发展。因此，我们就选用了这么一个一次任务实现的环绕、着陆、巡视，这么一个技术路线，希望能够获取更加丰富的科学数据，能够掌握环绕、着陆、巡视这样的技术，这也是世界先进的一个能力。
这三个探测器在去年七月份一起奔向火星，其实主要还是对火星探索的一个不同的目的。首先阿联酋的这个，它是做一个咱们叫卫星，或者是叫轨道器，它距离火星表面是两万乘四万（千米），而且它倾角也比较小，大概25度左右，所以它主要也就是对火星的赤道附近，它的大气和它的气候特征有点像我们现在的气象卫星一样，对它做探测。所以选择的是轨道器，美国人实际上是希望（毅力号）落到一个三角洲，历史上有可能有水的地方，认为那个地方有可能是可以找到生命的遗迹，所以它要落下去，然后精细地来探测。咱们中国的这个天问一号，实际上是我觉得是有两个方面，一个是叫全面深入认识火星。为什么全面？全面就是有一个环绕器、轨道器，我可以去火星的任何一个地方，我都可以去探测。将来以后我就把整个火星感兴趣的地方我都可以去探测，所以就有一个轨道器。然后我还要深入地研究火星，因为全球的一些美国人，然后包括欧洲，都已经做过一些研究了，我们可能关注的是一些有特殊的地方。那么还有一个就是要做深入的工作，所以我们有一个火星车，这样的话落到火星表面上我们可以做精细探测。这样的话点和面结合起来，这是我觉得是我们一个创新的地方。
天问一号此次飞向火星的过程当中，总共是经历了哪几个阶段，第一个阶段是发射，我们要从地球上发出去，这也是我们国家长征五号火箭。第一次执行一个正式的任务，之前三次飞行的长征五号都是试飞，而且也是我们国家的火箭，第一次发射第二宇宙速度的探测器。第一宇宙速度是7.9千米每秒，探测器达到这个速度，就可以绕着地球转起来，这就是我们通常的卫星，就是要达到这个速度以上，它就会成为一个地球的卫星。第二宇宙速度叫（逃逸速度），脱离地球的引力，绕着太阳转起来，变成一颗人造行星。地球的第二宇宙速度是11.2千米每秒，这一次也是我们国家第一次执行了第二宇宙速度发射的任务，采取了很多新的技术，使得这次发射堪称完美。零窗口发射，准确入轨。第二个阶段是从地球飞向火星，就是刚才说的，要绕半个椭圆走的这个过程。在这个过程里边，我们执行了四次的轨道修正，一次深空机动，经过了这么几次动作，我们就能够瞄准了，要进入火星轨道（的入口）。第三个阶段就是捕获，当我们探测器到达火星的时候，速度超过了火星的第二宇宙速度。如果不对它采取任何措施，速度太快，火星引力是抓不住它的，它就会从火星逃脱，所以就要对它进行制动，让它把速度降下来，降到它的第二宇宙速度和第一宇宙速度之间，这样它就会变成一颗火星的卫星，这个过程我们叫做捕获。
第四个阶段就是进入到环绕火星轨道，经过几次的轨道调整，要把这个轨道平面立起来，实际上就是轨道要经过火星的南北两极。这样就会通过火星自转和它立着飞的这个过程，使它实现全球覆盖，我们就可以对火星进行一个全面探测。在这个轨道上面，我们需要等待一段时间，等待良好的着陆时机到来，所以这一段时间，我们叫做停泊轨道。下一个阶段叫做降轨分离的阶段，因为它绕着火星在转，转的过程中我们要着陆，着陆就需要给它提供一个初始的姿态，让这个探测器要瞄准火星下去，在几个小时以后，它就进入火星大气，然后完成这个着陆的过程，这个叫离轨着陆段。再下一个环绕器，它就要进入一个中继轨道段，中继轨道段意思是说火星车要和地面通讯。因为火星车受它体积的限制，它不可能带一个很大的天线，它要把大量的科学数据传回来。需要环绕器给它进行数据中继，就是它先把数据发给在轨的环绕器，环绕器离它很近。然后环绕器再转发回来，通过这样的一个方式，解决通讯（信）的问题。说到这儿，我们来看一看我们记者编辑的相关的短片。
自2020年7月23日发射升空后，天问一号探测器要经过七个月的长途跋涉才能飞抵火星。在奔向火星的路上，天问一号探测器要经过发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测六个阶段，期间还要经过多次中途修正和深空机动。探测器在飞往火星的遥远路途中，长时间处于无动力飞行，依靠行星引力进行加速。飞行过程中微小的位置，速度误差会逐渐累积和放大。为了减小飞行偏差，使探测器沿着预定的轨道飞行，而进行的轨道控制称作修正。改变探测器当前轨道，使其进入一条新的轨道而进行的轨道控制，称作机动。轨道修正主要完成探测器姿态和轨道控制，确保探测器始终飞行在预定的轨道上。然而，即便成功进入环火轨道，要相对探测器进行测控和数据传输，依然要面临信号传输时延长的难题。这个延时很长吗？时间是跟距离有关，地球和火星的距离最远的时候是4亿公里，最近的时候大约是5600万公里，延时最远按4亿公里算，无线电信号单程信号，大概就是22分钟多。最近的时候，几分钟的时间，最后一个阶段就是环绕器要进入一个科学探测阶段。火星车设计的探测任务是三个月，当它在这三个月内，环绕器给它以提供中继为主，开展科学探测为辅。过了这三个月之后，环绕器还要完成自己的科学任务，所以它要进入到一个科学探测轨道，开展科学探测。同时也会为后续的火星车继续工作提供数据中继。我们通过短片去了解一下。
相比月球探测，火星探测任务更像是长跑，火星距离地球的最远距离为4亿公里，是地球与月球距离的1000倍。远距离不仅会导致无线电信号衰减，还会带来20多分钟的时延，也就是说，探测器要想把信号传回地球，需要在宇宙中跑11分钟左右，地面人员才能接收到信号。而地面人员要把信号传给探测器，也需要相同的时间。此前嫦娥系列火箭探月时延只有一两秒，多数时候地面还可以直接控制探测器的动作。面对长达20多分钟的时延，天问一号需要自动执行任务。地面人员在收到消息后，会在原计划指令内容上加上一个时间，把这些指令发到探测器上，探测器会存储下来，然后根据时间标签，去执行相应的动作或触发一系列动作。为了保证整个任务能顺利完成，在研发过程中仅仅捕获这15分钟的工作，就设计了50多个故障预案。长城报告，根据遥测判断环绕器轨控发动机已关机。2021年2月10日，发动机点火几十分钟后，地面终于收到了来自天问一号的消息。2021年的2月份，天问一号拍摄到了首张在火星上的照片，如此先进的火星探测器，为什么你们拍出的照片是黑白的？
我们也有彩色相机，后来我们也发布了彩色的照片，彩色相机主要关注什么呢？主要是关注火星表面的一些物质成分，它的物质类型，这是我们需要有彩色的，甚至还有多波段的，红绿蓝各个波段的数据我们都可以。还有一类，就是刚才您提到的这个黑白相机，那么黑白相机关注的是什么呢？监视，比如说我们有些状态有没有展开，两个器有没有分离，有黑白我基本上就知道这个动作是不是已经执行了。还有是导航，导航的话我就看到了这个天体在这儿，比如说我的地球在这儿，月球在那，火星在那，其他天体，我在我的照片里面，我是可以确认我的探测器是在什么位置，什么姿态，这是一类。还有一类，就是黑白相机要关注什么，是高分辨率的成像，黑白相机有什么好处呢？就是它获取的这个谱段的范围，会可以比较宽，宽到什么程度，宽到我们可见光里面这些所有的信号，都集中到了我的相机里面去。这样的话，我就可以获得更多的能量，而彩色相机或者多波段的相机，它可能只能是其中的可见光的一小部分的信号，进入到我的相机里面，所以它其实在空间分辨率，没有黑白相机这个空间分辨率那么高，所以我们其实在天问一号里面的高分辨率相机就是一个黑白相机。
我们所说的黑白照片、彩色照片，我想火星对于光谱颜色的认知，跟地球上是一样的吗？火星表面的颜色是什么样的，其实每个人看（到）的都不一样，你的眼睛的感光度和他的眼睛感光度，和我的感光度肯定是不太一样的，所以我们做了一个什么工作呢？我们的相机获得了一个红绿蓝三原色，然后我把它合成一个，那它这个相机是不是真实的代表着我们火星的颜色呢？我们需要地面上做颜色的校正，怎么校正呢？就是把它校正到我们的人眼，标准人眼您的是A，他是B，我是C。但是我们一定有一个标准的，人眼共同的认识我们地面上要做这个工作，这样的话就基本上我们拿到照片，应该是这样的，我们通过短片来看一下。科学家之所以对火星格外感兴趣，主要原因之一就是火星和地球非常相近，甚至有说法认为火星可能是地球的未来。火星和地球一样，也是一个变化的星球。它的早期也有浓密的大气圈和水环境，甚至可能存在着生命适宜人类居住。但目前限于科学探测的成果，还没有找到直接证据。因此，我国火星探测的第一个目标，就是搞清楚火星地理环境的变化，并将进一步探索火星表面下的秘密。从天问一号传回来的火星图像中，火星表面小型环形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可见。而接下来的三个月，天问一号将利用环绕器上，搭载的多种探测设备，对着陆器预定的着陆区地形地貌，进行详细探测。并为着陆器提供环境预报，等待时机成熟登陆火星。
2月10日，天问一号成功实施了火星捕获，捕获的难点到底在哪里？捕获过程是整个任务的关键，它只有一次机会，探测器必须在准确的时间到达准确的位置，就是准确的时间和火星去交会。因为火星它的公转速度很快，探测器的速度也很快。火星绕着太阳转，大概速度是24.1千米每秒，探测器到达火星的时候，大概4.9千米每秒，这都是非常快的速度，所以这两个要准确地碰在一起，再进行准确的计算，进行精准的控制，才能够完成这个过程。用四句话来说，第一，我们探测器要飞得准，就是要能在准确的时间到达准确的位置，这个距离非常远，从发射一直到那儿飞了202天，行程是4.75亿千米，到达的时候火星和地球的距离，是1.95米千米。在这么长的时间，经过了那么长的过程，你要分毫不能差，要飞得准。第二个，你飞得准还得量得准、测得准，因为它的控制量是由地面来计算，它到那了地面得准确知道这个轨道的精度，也要测量得非常准。如果说我用一支（把）小尺子，来量一根铅笔。你可以把它精确到毫米，但是我要让你拿这个尺子，去量一个1000米的跑道，让你要把它控制到毫米的精度，可能难度就比较大了。对于（火星）捕获来讲，你的控制精度是跟我们去月球的控制精度要求是一样的，但是距离要远了上千倍。
普通人对于速度和距离的认知，就是每小时上百千米，您刚才说那个数字，普通人是很难认知这个速度那么快，要那么精准地捕获，相当大的难度。对，刚才您说了，各个速度都是那么快，距离那么远，捕获的时候，探测器和火星的距离可很近，离火星表面只有400千米，所以你要算得非常准确，才能够告诉这个探测器，你要控制多大量。第四个方面，就是探测器它自己要控制得准，它的过程就是要让它的调整姿态，发动机的方向，要对准它的前进方向。然后点火，准确地时间点火，准确地判断自己的速度变化，这个时候是靠速度变化来控制它关机的，你要自己感知，不能靠地面。地面这个时候的时间延迟，无线电信号的延迟，在11分钟左右，它一共点火的时间也有那么长，所以靠自己去判断速度达到了没达到，达到之后立即关机。这个过程举个例子，有点像咱们这个F1赛车，过最后一个弯道加速往前走，然后过弯道的时候，你要踩一脚刹车，如果你这个刹车踩的不够，就滑出去了。如果刹车踩得太狠了，那么对于F1赛车，可能后面车就超过你了。对于火星探测器，你要这一脚踩得太狠了，就撞上（火星）去了，所以要非常精准地（执行）这么一个控制过程。
今天，非常感谢两位来到我们演播室，跟我们共同来聊这个火星的话题，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》！如果您想要了解我们更多的节目内容，可以下载央视频去收看我们过往的节目。我是胜春，咱们今天的节目就到这儿了，我们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
