第566期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《火星 我们来了》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——火星 我们来了
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、中国首次火星探测任务地面应用系统总设计师。
讲座时间：2024年6月3日～6月9日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——火星 我们来了
讲座内容：
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。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，因为毫无经验可借鉴。天问一号的这次探火之旅注定风险重重，那么天问一号又是如何过五关斩六将，成功着陆火星的呢？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。首先，我们给大家介绍一下我们今天请来的两位科学家。第一位是国家航天局探月与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？1960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，大约我们统计共用了15000只电子元器件，任何一只元器件出现问题，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，就是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）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。在这样一种情况下，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。这么大失败的成本，我们探索它的背后的意义是什么？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，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，或者是生物、生命存在的环境。第二个方面，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。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，但探测火星的路却是如此艰辛。那么此去，天问一号都会经历什么呢？天文一号此次飞向火星的过程当中，总共是经历了哪几个阶段？（首先）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，降到了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，这个过程我们叫作捕获。
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，我们叫作停泊轨道。下一个阶段叫作降轨分离的阶段，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（信），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。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，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，地面人员在收到信息后，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，这标志着天问一号顺利进入了火星捕获阶段，开始了火星环绕。天问一号在环绕期间，到底执行什么任务？都做些什么？
环绕我们实际上是有三个阶段。第一个阶段是停泊段，停泊段主要的目的就是对我们预选的着陆区的范围，进行一个详细的探测，详细探测什么呢？第一我需要了解一下这个地方的地貌，或者地形特征是不是平坦。这地方有没有沙丘，有没有山，有没有撞击坑这些分布，这个地方的坡度大概有多少，火星车落下去以后，就能有一个安全的着陆的地方，这是第一个层面。另外一个的话，我们希望能够大致了解一下，它这里边的物质成分是不是科学家感兴趣的地方，这里边能不能和我们的科学目标之间，比如说我们大家关心的水，或者是其他的这个含水矿物这些东西，能不能在这地方有可能发现。还有一个很重要的就是火星这个环境的不确定性，它这个地方沙尘暴有没有，所以我们还是希望能够对它的这个天气状态有一个初步的研判。我们通过短片来看一下。
天问一号在火星停泊轨道运行期间，会利用中分辨率相机、高分辨率相机、光谱仪等载荷设备观察着陆点，对预着陆区进行成像探测，为3个月后的安全着陆做好准备。而离轨着陆是火星探测任务成败的关键，尤其从进入火星大气层到着陆，有一段闻名世界的“黑色9分钟”。有人说，从地球往火星发射探测器，难度相当于从北京把一个高尔夫球打到纽约高尔夫球场的球洞中。天问一号要在我国首次火星探测任务中就克服这一艰难的过程，所面临的挑战是前所未有的。那么它是如何克服这“黑色9分钟”的挑战，安全着陆的呢？之前火星探测器失败的原因，有一半都是出现在着陆上，降落这个过程当中。火星着陆到底有多难？火星的着陆，它的过程非常复杂，第一步就是进入火星大气。进入火星大气，我们是靠着这个气动的外形，我们可以看到这个着陆巡视器是一个壳子，底下是一个大钝头，后面是一个小钝头。第一部分减速过程，是靠这个大钝头跟火星大气的作用，这个时候它以高速进入大气，速度是多少呢？大概4.8千米每秒，它进入大气的时候，速度很快。尽管火星的大气很稀薄，但是由于速度很快，它这个力量和大气高速地作用，一个会有力量的作用。在这个力的情况下，它要保持稳定，不能翻转，要控制好自己的姿态。
进入的时候，其实是要有一个瞄准的进入的方向，这个通道是非常窄的一个区域。如果是角度太大了，它可能就进入不了，着陆不了在火星上，所以只有一个恰恰好一个减速的通道是最合适的，所以这个地方是比较难的一个点。第二阶段是开伞，这个里边存在什么样的难度呢？第二个阶段是靠降落伞，火星的降落伞和地球的降落伞，因为环境不同，它的设计要求完全不同。第一个它开伞的速度，它要超音速开伞，这个时候的速度很快，地球从飞机上跳伞，它不会到那么快的速度。再一个因为火星的大气密度和地球差距很大，大气密度大概是地球的1%，所以它开伞的时候，叫作低动压开伞，这个是完全不同的环境，所以火星降落伞的设计就不同。它开伞的状态对这个初始姿态也是有要求的，伞是靠一个火工品。所谓火工品就是像炸药一样，把它炸出去，从这个背罩上炸出去，这个伞要能够弹得出，要能够打得开，那么在低动压的状态下，对于开伞是很不利的。要能够稳得住，这伞开了以后不能打转转。打转转就绞在一起了，它得能够很稳定地撑开。开伞因为速度很大，突然张开那么大一个面积，它的力量也很大，不能扯破帆，不能拉断绳，瞬间这些过程都要完成，这是一个对于开伞的要求。所以开伞这个过程本身，是我们整个过程里边风险最大的一个环节。
刚才提到了这么多，很复杂的一些操作过程，我们怎么去验证它，其实地面上探测器系统，做了非常多的验证实验。比如刚才说的气动外形这一块，承受这么高的温度，这么快的速度，它会不会导致被烧蚀掉？还有一个很重要的一个因素，就是说火星上的这个大气，虽然它的大气压只有地球的1%，但是它的成分跟地球也不一样。火星上的成分它95%是二氧化碳，所以这二氧化碳对我们外形的烧蚀这么高的速度，这么高的温度的烧蚀的影响是什么？这些东西实际上都是地面上探测器做过很多的实验，还有就是这个伞的展开，在这种低气压的这种情况下，高速的时候，展开以后会不会出现各种各样的情况，地面上也是做了大量的这样的实验验证。降落伞打开以后，它就会慢慢的把速度再进一步的降低，在这个过程中间，还要做几个工作，降落伞打开以后慢慢下来，要把那个大底扔掉，这个时候着陆平台就暴露在外面。着陆平台自己的伸腿要打开，然后着陆平台底下有着陆的相机，有测量速度，测量距离的敏感器，这时候都开始工作。那么这个相机，要对地面成像，要在这个里边，选择一块相对比较平坦，符合要求的地方，它到了离火星表面的一定高度的时候，就必须把降落伞抛掉，进一步靠动力来减速，就是靠一个大的发动机点火反推它，使它能够进一步的减速。
发动机打开了之后，缓缓地一面减速，一面可以横向移动，向着它选好的这个地方去走，它慢慢地走到离这个火星表面100米的地方它要悬停。悬停以后，继续对地形再次进行拍摄和判断，找一个面积大一点的地方，具备非常好的条件，慢慢地落下去，落下去靠它的四条支腿，这四条支腿也是特殊研制的一种新的材料，它这个材料可以拉长很长，也不会断。当它落地之后，还要迅速的把发动机关掉，这时候发动机还开着呢，如果不关的话，它又会顶起来了，所以必须迅速的把发动机关掉。在整个所有的过程，全是探测器自主完成的。因为这个时候我们落的时候，大概和我们地面的通信时间有十几分钟，单层的有十几分钟（延时），所以咱们地面上的控制根本就无法完成，只能是通过它自主来实现。说到这儿，我们来看一段相关的短片。实际上天问一号探测器一共搭载了三位“乘客”，环绕器上方是着陆巡视器，火星车在着陆巡视器的里面。我国首辆火星车命名为“祝融号”，祝融在中国传统文化中被尊为最早的火神，象征着我们的祖先用火照耀大地，带来光明。将首辆火星车命名为祝融，寓意点燃我国星际探测的火种，指引人类对浩瀚星空、宇宙未知的接续探索和自我超越。
当着陆器将火星车送到火星之后，任务才刚刚开始，下一步究竟将会有哪些动作？落地以后，火星车就马上开始一系列的动作，它本身是收拢状态的，不是我们现在在图像上看，这个图像上看到的是展开的，它要把自己展开，先要把它的桅杆抬起来，然后它的导航相机打开，就是睁开眼睛。然后，要把它的太阳翼打开，使它能够获取能源，再一个要把它的天线展开，竖起来相当于竖起耳朵，张开嘴巴能够跟地面通信，把它的一些信息传回来，落地的一些信息传回来，地面把指令发上去。然后，要把这个平台上面，相当于飞机的（舷）梯，要把这个坡道展开，还要给它下来建立好条件，然后要让它的车轮和平台解锁，之前它是锁定在一起的。然后要让车的悬架抬起来，它本身是折叠在里边的，所以要抬起来，相当于要舒展舒展筋骨，这样它才能做好这个着陆的准备。然后再用导航相机，要对周围的环境进行成像，把这个图像要传回地面，要给它制定走下来的策略，这是它开始要做的工作，大概八天以后才可以稳定的走下来。火星环境对这个火星车具体有哪些影响？第一个是温度，我们讲它的白天，最高是27OC，晚上会降低到零下130OC，不能让它太冷，什么办法呢？
只有到了晚上太阳下去之后，需要给它保暖，保暖需要靠电能，所以我们火星车为了充分地利用有限的面积去获取更多的电能，我们看这次火星车跟月球车有点不太一样，做成了一个蝴蝶形状，不是为了好看，是因为就着它这个形状，能够布置更多的太阳能电池片，使它能够获取更多的电能，为了进一步的提高它的获取能量的能力，针对火星的光谱，火星的光照条件和地球不太一样，我们针对它进行了改进的设计，使它能够达到最好的发电效率。还有一个，利用了一个叫作集热器的东西，这个能够直接储存太阳的热能，然后到了晚上再把这个热能释放出来，给它提供保温的条件，所以在温度应对低温情况下做了很多的工作。第二个方面就是沙尘，火星的这个天气条件，是更容易刮起沙尘暴，大概在2018年的时候，刮起了一场长达数个月全球性的沙尘暴。我们知道美国的机遇号，就在这次沙尘暴之后就失效了，就没挺过来，这个沙尘直接影响发电，因为它覆盖在太阳能电池板上，效率必然会降低，如果时间太长的话就不能保证温度，那它就会被冻坏。为此太阳能电池片，也做了改进设计，专门研发了一种涂料，它能够像荷叶不容易沾水。荷叶上面我们看，这个水一上去就滚走了，按照这个原理设计了一层涂料，涂附在电池片的表面，使这个灰尘很容易就滚落，做了这样的一些设计，使它能够更好地适应沙尘。
第三个关注的是它的地形，火星上面布满了各种各样的砾石石头，它还有沙地，前一段时间美国公布了好奇号前一个火星车的图片，它那个轮子上面都有好大的洞，为什么呢？这就能看出来火星上的石头，比我们想象的更尖锐、更坚硬，洞都是被石头磨出来的，为此在这个车轮的设计上，还专门开发了又轻又更加耐磨的材料，来长时间可以保证它不会被磨坏。再一个火星它有一种特殊的沙地，表面上看起来很硬，你觉得它是一块硬地，但是它很脆，这个重量一压上去扑通就下去了，然后就会陷到沙子里。为了提高这个脱困的能力，我们这个火星车提高越野的能力，设计了主动的悬架，有六个轮子，六个轮子都是单独驱动的，六轮驱动，六轮转向。它可以横着走，它可以像虫子一样，一拱一拱爬着走，这样它陷到沙坑里，它自己可以爬出来。我们这个火星车它的能力的提升，是为这个科学探测提供了非常好的一个平台，我们可以把这个科学探测作为一个周期来看，比如说我们三个火星日来做一次科学探测的周期。我们通常第一天，第一天我们去感知这个环境，就是类似我们人眼去看一下，周围先看看，这里面有哪个地方，我感觉……对对，先观光。先看看这个地方怎么样，那是用我们的相机来去看，相机和多光谱，把这数据传回到我们地面以后，科学家可以针对这个图像数据。来决定下一步任务。
下一步我感兴趣那个地方，第二天我们就开始把所有的科学载荷就开始工作了，这个科学载荷里面像比如说有磁场的，然后有这个成分的，我们有一个成分很有意思，就是说用激光打到这个岩石上面去，这岩石就会气化形成一个等离子休层，然后我们用光谱（分析仪）去看，就能够把这岩石里面有什么元素，我们就可以把它反演出来。第三天的话，我们这个车不是要走嘛，得去下一个探测的地方，然后我们是可以把它的气象特征，我们车现在这地方风速多少，温度多少，风向怎么样，气压多少，我们有一个气象测量仪可以测。走的时候，我们还有一个雷达，可以看看地底下有没有分层结构，下面是不是有可能存在可能的水冰等等这些东西，所以我们这个火星车，能够做很多的科学探测。等于说我们中国航天的历史上，做出的所有努力和成果在这一刻，可能都要集体发挥作用了。对，那我们这次任务目标，是环绕、着陆、巡视一次做，这在国际上是首次采用这样的总体方案。实际上是基于我们国家60年航天的发展，基于我们地球卫星、探月工程、载人航天各个重大工程技术，能够把它集成在一起来完成，所以我们有条件有能力来完成这么一个复杂的任务。今天，非常感谢两位来到我们演播室，跟我们共同来聊登陆火星的话题，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。好，我是胜春，咱们今天的节目就到这儿了，我们下期节目再见。
