“天何所沓?十二焉分?日月安屬?列星安陳?”2000多年前，詩人屈原仰望蒼穹，發出“天問”。
2000多年后，由此命名的天問一號探測器，成功著陸火星北半球的烏托邦平原，帶領“祝融”號火星車展開火星探測之旅。我國成為繼美國之后，世界上第二個成功將火星車降落在火星表面的國家。
而今，火星上的探測器正嘗試告訴我們火星的過去和現在。
“探火”之路
縱觀航天史，人們對火星情有獨鐘。
如果地球生命要“出去”，那么火星大概率是第一據點。
春秋戰國時，我國古人就注意到了火星。現代以來，航空航天科學技術不斷發展，但不變的，是人類的火星情結。
“火星是人類最早關注到的星體之一。”河北省天文愛好者協會理事長秦瑞強告訴記者，火星被稱為地球的“孿生姐妹”，較高的相似度使得火星成為深空探測的熱點。
有專家解讀說，火星屬于類地行星，兩者幾乎都形成于約45億年前，組成結構也大致相同，有核、幔、殼。這些行星為什么能形成這樣的結構?通過火星探測解答這一問題。
火星的自轉方式與地球相似。而且火星和地球一樣，也是傾斜著自轉，這意味著火星也有四季更迭。“火星上的水、大氣等條件有成為宜居星球的潛質，而且離地球比較近。”秦瑞強說。
1960年至1964年，美國、蘇聯均向火星發射了探測器，但均宣告失敗。直到1964年10月，美國“火星4號”火星探測器才傳回了有關火星表面的近距離圖像，同時還回傳了500多萬比特的科學信息。
21世紀以來，美國、歐洲航天局相繼成功發射了火星探測器。印度也加入其中，發射了首顆“火星軌道任務”探測器。
然而，人類探測火星的征程并未就此一帆風順。
2011年，俄羅斯的“火衛一土壤”星際探測器由于發動機出現故障，未能將其送入飛往火星的軌道，“探火”再度失敗。
據介紹，火星距離地球最近時也有約5500萬公里，對火星探測任務的發射、測控、著陸等環節都有很高技術要求。
進入火星軌道就是一大挑戰。
火星的引力場比地球小很多。環繞器需要被火星捕獲，這是火星探測的一大難關。從地火轉移軌道進入火星環繞軌道前，還需要進行相應的姿態調控、軌道修正等操作。
在火星著陸的過程被稱為“恐怖7分鐘”。這7分鐘內，探測器要經歷入軌、下降與著陸過程，速度將從2萬千米/時降到0。“恐怖”之處在于，這段時間為無線電中斷、無法控制的“黑障區”。
“一不小心探測器就跟丟了。”專家說。
特別是與月球不同，火星上也存在大氣層，這讓著陸器存在被燒毀的風險。雖然火星大氣密度只有地球的1%，但其大氣中二氧化碳占95%，氮氣占3%，與從地球軌道上返回的飛船相比，著陸火星的探測器在高熱狀態下會發生更加復雜的物理化學反應。
即便是順利著陸，接下來的巡視也是火星探測的一大難關。“火星上的沙塵暴會對火星車造成極大的威脅，而且為了延長火星車的壽命，通過測控讓其行駛于一個相對平坦的地形中，坑、石頭、軟地質等都可能成為探測的環境干擾。”專家說。
河北護航
“在本次火星探測任務中，我們研制的多型測控系統，在探測器發射、火星環繞、著陸和巡視探測各個階段，執行地面遙控、遙測、高精度的目標導航、數據接收等任務，為首次火星探測提供堅實測控和通信技術保障。”網絡通信研究院(54所)天問一號任務測控系統總師耿虎軍介紹。
當然，測控站并非單獨行動的，任務的成功需要各個深空測控站密切配合，這些散布在廣袤大地上的一個個深空測控站實力上演“聯手接力”，保障探測器著陸和月球車探測。
耿虎軍說，深空測控站通過組成一張看不見的“深空測控網”，將一條條命令及時準確地送達遠在上億公里之外的探測器上，精準執行著巡器與環繞器分離、火星著陸等任務所需的遠程控制;高性能接收探測器獲得的火星圖像、火星形態結構等科學數據，同時接收探測器發回地球的遙測信息，全程掌控任務設備狀態，并為任務提供數據支持。
在火星車落火的全任務過程中，喀什深空測控站和阿根廷深空測控站對環繞器和火星車實施雙目標的測控、數據接收和測速測距等外測任務。
兩深空測控站對環繞器接力發令，控制環繞器的姿態并進行測距測速，接收環繞器的遙測信息和數傳數據。之后，喀什深空測控站對環繞器進行單站測控，通過發送上行遙控指令控制環繞器實施降軌操作，為火星車降落火星做最后的準備工作。阿根廷深空測控站對環繞器進行單站測控，其間會根據環繞器+火星車組合體的姿態和工作狀態對其實施精密調整和控制，并通過發送遙控指令控制環繞器與火星車分離。兩站配備的采集記錄設備也在整個落火任務過程中對探測器進行精確的測定軌。在這樣的“通力合作”下，探測器才能“指哪到哪”。
由于巨大的通信時延，使地面測控設備無法實時對火星車的最后落火階段進行測控，在此期間，火星車通過預先設置好的程序自主實現落火過程。天問一號著陸后，喀什深空測控站和阿根廷深空測控站將繼續作為深空網的主力裝備，為整個天問一號任務的圓滿成功提供堅實的測控保障。
此外，54所作為設備總體單位，主持的喀什4套35米天線組陣系統，也為天問一號任務全過程提供了技術保障。
“這套系統為火星探測任務而研制，也是我國首個35米深空探測天線陣，它可以實現對遠在4億公里以外的火星探測器進行極高靈敏度的微弱信號組陣接收。”耿虎軍指出，它的研制為未來我國走向更深遠的太空提供了雄厚的測控技術儲備。
在廣袤的星際空間，探測器距離地球會非常遙遠，這導致地面站接收到的信號極其微弱。54所通過組陣技術，將4套35米天線進行組陣合成，可以將多個天線接收到的微弱信號匯合起來，能夠極大地增強地面系統的接收能力。據悉，這套系統，達到了等效口徑66米的接收效果，“以較小的成本代價和最優的性價比，滿足了深空任務的數據接收需求。”耿虎軍說。
據介紹，該組陣系統建設突破了不少關鍵技術，采用高性能的實時及事后多天線信號組陣合成算法，通過多天線系統的綜合資源調度以及任務管理，實現天線單元間高同步高精度的時頻信號分發以及數字化采樣，從而為接收天問一號探測器傳回的微弱信號提供高質量服務。
探尋生命
“所有的火星探索都圍繞著一個核心主題——生命。”秦瑞強告訴記者，這包括了一系列問題：火星上現在有沒有生命?它過去是否曾經孕育出生命?未來能否改造成適合生命生存的地方?
解答這一核心主題的前置條件，首先是要搞明白火星上有沒有水?
本世紀以來，多項探測都證實火星存在水：“奧德賽”探測器發現火星大氣中有微量水蒸氣;“火星勘測軌道器”通過雷達探測器發現火星地表下有水冰層。
從“火星來客”——隕石中也能發現端倪。
2014年，中國科學家在一塊火星隕石中發現了碳顆粒，研究認為是火星生命產生的碳，這是全球首次發表的類似成果。這一研究隨后得到美國“好奇號”火星探測器團隊的佐證。2018年，該團隊宣布從2014年9月和2015年1月的兩次鉆孔采樣物質中發現了多種有機物——比人們之前在火星發現的有機物要復雜和豐富得多。
專家表示，從現有研究成果看，火星表面曾有大量水流過的痕跡，有可能孕育過生命。
那么，現在火星上是否依然有生命存在?它們在哪里?火星上的水又去了哪里?這些都是值得進一步探索研究的重大課題。
“由于一些國家對于探測到的火星核心信息嚴格保密，天問一號的任務，就是通過環繞火星，拍攝并發回高清地圖照片，再通過登陸火星，傳回探測地表的第一手資料。”專家說，這將驗證并解開我國科學家對火星的種種認知和疑問。
當然，火星探測，只是我國深空探測的其中一步。
“天問”不僅僅是火星探測任務的名稱，而是“中國行星探測任務”的名稱。這也意味著，未來的“天問”，還將走向其他行星。
除了2020年發射首個火星探測器，我國還將規劃木星(及其衛星)和小行星探測。據介紹，木星是太陽系最大的行星，且擁有豐富的衛星系統，研究木星系統，對理解太陽系演化過程具有重要的科學意義。
“小行星也是很重要的探測對象。”專家表示，太陽系里的小行星很多，不少會來到地球周圍，可能會對地球造成威脅。
走向深空，探索未知。在天文學家眼中，深空探測很大程度上是人類好奇心的驅動，好奇宇宙的起源、好奇生命的起源、好奇人類的未來。
“去火星，去更遠的地方。”(記者 王璐丹)
