千年前的古人还在质疑着“圜则九重，孰营度之”，现如今，科研工作者真的可以“上天”去寻找问题的答案。2月10日晚，天问一号顺利“踩”一脚“刹车”，开启了近火制动开启环绕火星之旅。此前，它已成功传回了我国首张火星黑白照片。这脚“刹车”到底有多重要？首张火星照片为啥是黑白色？记者邀请南京航空航天大学航天学院教授闻新详细解读“天问一号”的“火星之旅”。

扬子晚报/紫牛新闻记者  杨甜子

【前情回顾】

“天问一号”半年前开始火星探测之旅

“天问一号”的发射，要追溯到2020年7月23日12时41分，我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场，用长征五号遥四运载火箭将首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空，飞行2000多秒后，成功将探测器送入预定轨道，开启火星探测之旅，迈出了自主开展行星探测的第一步。

天问一号探测器总重约5吨，由轨道飞行器、着陆器和火星漫游车组成。它将实现对火星的“绕、着、巡”。根据预定的计划，探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后，到达火星附近，通过“刹车”完成火星捕获，进入环火轨道，并择机开展着陆、巡视等任务，进行火星科学探测。

“天问一号”轨道飞行器

截至目前，天问一号已在轨飞行约197天，距离地球约1.84亿公里，距离火星约110万公里，飞行里程约4.65亿公里，探测器各系统状态良好。

“天问一号”在距离火星约220万公里处，还获取了我国首幅火星图像。部分天文爱好者仔细观察火星的“近照”发现，照片中，火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑，以及最长的峡谷——水手谷等标志性地貌清晰可见。“天问一号”到底会选择在火星的什么位置着陆？目前依然是个有待揭开的迷。

火星被航天界称为“航天器的墓地”

自1960年10月10日第一次向火星发射探测器失败，60年来，人类从未停止对火星的探险脚步。闻新科普道，和月球与地球相隔38万千米的距离相比，火星与地球最近时的距离也要5500万千米，这是与地月距离相比的一百多倍。“如果用飞行时长来算的话，我们飞到月球需要2-3天；而即便是最佳飞行，从地球飞到火星还需要大半年。”而地球与火星之间最远时的距离，更超过4亿千米，但是，火星探测真正的困难还不在于距离。由于地球和火星同时环绕太阳的运行，所以从地球到火星，不能直线飞。闻新告诉记者，从地球到火星，直观上看怎么走都可以。但为了节约成本，目前火星探测器大多都是按照“霍曼转移轨道”飞行，这种变换轨道的方式最省钱，但其中也涉及更多次数、更高精度的轨道修正。

从地球飞往火星的遥远旅途中，探测器还需经历三个引力场的干扰，它首先脱离地心引力，离地球进入环绕太阳运行的轨道，此时的探测器将以太阳为近焦点做椭圆轨道运动，接着进入火星的轨道，最终进入火星重力场被火星捕获。

“天问一号”经历了四次轨道中途修正

距离“天问一号”的成功发射已经将近半年的时间，在这过程中，“天问一号”在太空中都经历了什么？根据国家航天局公开的信息，在飞行工作了9天17个小时，距离地球超过300万公里后，“天问一号”于2020年8月2日7时整顺利完成了第一次的轨道中途修正，继续飞向火星。此后，“天问一号”又陆续进行了三次轨道中途修正，才有了如今“进轨”火星的顺利进行。

为什么要进行中途修正？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介绍，在地火转移轨道飞行过程中，探测器会受到入轨偏差、控制精度偏差等因素影响。由于探测器长时间处于无动力飞行，微小的位置速度误差会逐渐累积和放大。

因此，执行飞行任务时，科研人员需要根据测控系统测定的探测器实际飞行轨道与设计轨道之间的偏差，完成对应的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。中途轨道修正的关键在于修正时机的选择以及每次修正的实施精度。

【聚焦“踩刹车”】

“刹车”怎么“踩”大有讲究

记者了解到，预计2月10日左右，也就是除夕前后，天问一号将“踩”一脚“刹车”，进行近火制动开启环绕火星之旅。飞行如此顺利，为什么要“踩”一脚“刹车”改变飞行节奏？南京航空航天大学航天学院教授闻新告诉记者，这一脚“刹车”对于“天问一号”来说至关重要，事关探测器“生死”。“什么时候‘踩刹车’，该‘怎么踩’都有讲究，太快了或者太慢了都不行。”闻新介绍，“天问一号”越来越靠近火星，飞行的速度就“讲究”，再也不能是“埋头苦飞”的状态。“与月球不同的是，火星还存有稀薄的大气，这会让飞船面临巨大的阻力。‘天问一号’只有顺利被火星引力所捕获，进入环绕轨道，才能为后续的着陆火星打下基础。”如果还是原来“可劲儿飞”的状态，“天问一号”搞不好会出现飞离火星的情况。但需要注意的是，如果这脚“刹车”踩狠了也不行，探测器制动的点火时间过长，会导致速度下降过多，到那时，便会有一头撞上火星的情况发生。

还会经历“恐怖7分钟”的考验

进入火星轨道后，着陆火星则被称为“恐怖7分钟”。曾有科学家形象地比喻说，探测器进入火星轨道的难度，相当于从巴黎打一个高尔夫球要正好落到东京的某个球洞里一样。许多火星探测器都在这一阶段功亏一篑。

闻新告诉记者，火星地形复杂，气流也不平静，最大的威胁是沙尘暴。电影《火星救援》中形象地描述了火星上沙尘滚滚、遮天蔽日的恶劣天气。“一方面，你必须确认探测器的任何一个设备和器件不会在这个环境下发生故障。另一方面，探测器在火星着陆的技术很复杂，每个环节都不能有闪失。”

如果能顺利被火星引力场捕获，并进入环火轨道后，“天问一号”将于2021年5月择机实施降轨，着陆巡视器与环绕器分离，软着陆火星表面，火星车驶离着陆平台，开展巡视探测等工作。

【未来展望】

“套娃”式登陆，将在火星工作90天

到了火星上，“天问一号”需要做些啥？闻新教授告诉记者，“天问一号”的升空过程类似于一个“套娃”，进入太空后的飞行都由轨道飞行器来完成，而一旦接到“着陆”的指令，“藏”在轨道飞行器中的着陆器便会与轨道飞行器分离，释放降落伞，按照科研人员预设的地点定点着陆。此后，携带探地雷达的火星漫游车将从着陆器中滑出，在火星上工作整整90天。

火星漫游车

“天问一号”七个月的飞行，正是为这90天的工作进行的漫长“铺垫”。在火星上，火星漫游车会传输回相关的数据，科学家将对火星的大气和土壤进行分析，研究火星岩石和土壤的成分，还会寻找水源和生命迹象。当然，拍照肯定是少不了的，捕获火星的最新照片，我们便能更好地研究火星“长啥样”啦。

【关于火星】

我国首张火星照片为啥是黑白色？

“说好的”铁锈色行星还在，没跑！

在不少人的印象里，火星一直是一个铁锈色的行星，但“天问一号”在距离火星约220万公里处，获取的首幅火星图像却让很多人失望：照片为啥是黑白色？难道这么多年一直被骗了？

“这是光学照片，可以获得更好的清晰度，便于科学研究。”闻新教授告诉记者，跟着“天问一号”一道升空的“照相机”由中科院长春光机所制造，经过了特殊加工。科学的世界里，“看清楚”比“好看”更重要。我们平时见到的铁锈色的火星，一部分来自后期的颜色合成。

“在太空中，带宽等资源都十分宝贵，而且有诸多干扰，一张照片传回来的时间得有半小时，彩色照片所占用的带宽要明显高于黑白色。相同成本和体积下的黑白传感器容易获得更高的图像细节，所以航天器传回的照片多半是黑白颜色。”

如2018年美国“机遇号”火星探测器拍摄的火星全景照片，包含了354张单独的照片的图像数据，这些照片是用软件“拼接”在一起的。如果你仔细看拼接照片的左下角，会发现这一小块仍然是黑白的，而其余的是彩色的。这不是一个艺术上的选择，而是为了用于机器臂定位要求。全景相机包含两台带电耦合设备（传感器），这两台设备相隔近1英尺，只能拍摄黑白图像，目的是用于计算漫游者的行程距离，并在其视野内精确定位物体，以便于精确地移动机械臂。

为什么人类对火星“情有独钟”？

它有着潜在的“宜居性”

“天问一号”的发射，给很多人带来了一个疑问，为什么我们对火星“情有独钟”？闻新表示，“由于地球资源的问题，火星或许是人类下一个栖息之所。”

闻新告诉记者，在太阳系行星中，火星潜在的“宜居性”是独一无二的。“人们经过航天探索发现，水星是最接近太阳的行星，但是它白天气温高达430摄氏度，更糟糕的是昼夜温差相差近600摄氏度；而金星不仅严重缺氧，大气层还布满了硫酸云，地表温度常年460摄氏度。”闻新告诉记者，除了水星、金星，像木星等其他太阳系行星是气体行星，根本没有外部地壳作为着陆点，站上去会像踩到巨大棉花糖一样直接掉下去。这样一对比，火星就更像一颗温柔可亲的希望之星了。

火星怎样才能具备人类生存的环境？起码得有充足的氧气和水。有证据显示，曾经的火星很可能和地球一样是个宜居的“天堂”。比如，2008年NASA凤凰号着陆器在火星北极附近的浅层地下挖到了水冰；2018年欧空局火星快车号探测器的雷达数据表明，火星南极冰下很可能有盐水湖存在。科学家们因此觉得，改造火星，让火星再一次变得有适宜的大气、有水，似乎也不是没有可能。

将来我们可以去火星上居住？

不是科幻小说，一千年后真的可以有！

当我们还停留在对火星的各种“可能”进行幻想时，特斯拉CEO埃隆·马斯克已经迅速进入了行动阶段。2020年9月，马斯克曾对媒体披露了一份登陆火星的时间表，他计划在2024年将人类送上火星，并计划在2050年建成一个自给自足的火星城市。马斯克的目标是，在2022年之前执行火星货运任务，并在2024年之前执行载人火星任务。

据马斯克介绍，为了实现这一目标，SpaceX正在建造星际飞船。据悉，该公司将使用星际飞船来执行前往火星的任务。该公司的星际飞船是人类历史上最大规模的载人飞船，可以乘坐一百人，它将是马斯克实现人类定居火星这一宏大目标的关键运输工具。“到达火星通常需要6个月的时间，但SpaceX计划将这一时间缩短至1个月。”马斯克说。

一千年以后的蓝色火星

“科学家曾经有过一份‘火星改造计划’。”闻新教授透露，虽然火星上现在还是沙尘遍地，需要探索水源的存在，但它天生的宜居性，让科学家们乐观地给未来划定了几个阶段：一百年后，登陆火星的人类开始改变火星的温度，构建二氧化碳“温控”系统，同时植树造林，让火星变成“绿色火星”。五百年后，人类将不再需要在火星上穿着宇航服行走，唯一的不便是，因为火星上氧气稀薄，人类还需要背着吸氧机。而在一千年后，火星上的氧气层完全形成，此时的火星，已经和人类现在生活的地球没啥两样，“移居”火星的目标真正实现。

校对 丁皓宇