姜景山院士：中國火星探測實現三步並一步走，就是世界第一
作者｜章劍鋒
本站火星知識官介紹：姜景山，中國工程院院士、國防科工局深空探測重大項目實施方案論證專家委員會成員，他也是中國載人航天工程、探月工程的主要推動者、組織者和領導者之一。中國微波遙感的主要開創者。
火星上究竟有沒有生命的跡象？火星上的生態環境是什麼樣的？火星是否有可能成爲人類在浩瀚宇宙中開闢定居的一個新大陸、新家園？
自從60多年前人類向火星發射第一枚探測器以來，人們對於這顆類地星充滿好奇。人類迄今已進行了44次火星探測，但，對於這顆星球所知卻仍然十分有限。
這一次，中國歷史上第一枚火星探測器“天問一號”即將於7月23日在海南文昌升空，中國人通過自己的科技行動，試圖直接去揭開火星的秘密。
到現在爲止，前蘇聯、美國、歐盟、日本都先後實施了火星探測器的發射，印度也成功發射了探測器。
“我們中國人這是第一次去火星，必須要有一個跳躍式的前進，直接就蹦到國際火星探測的第一方陣。”中國工程院院士、國防科工局深空探測重大項目實施方案論證專家委員會成員姜景山對本站科技《科學大師》記者說，中國在火星探測上比起前蘇聯、美國晚了幾十年，這一次的行動，必須要有自己的創新亮點。而這個亮點就是，中國不再像探月那樣三步走：繞月、着陸、巡視，而是一上來就三步並作一步，繞火星、着陸和星面巡視均列爲一次實施任務目標。
姜景山院士是中國航天科技領域的資深科學家，曾任中國探月工程首期副總設計師，也是中國載人航天應用工程的組織者和領導者之一。這一次火星探測，他所在的中國科學院國家空間科學中心承擔了科學目標和有效載荷配置研究任務。
據姜景山告訴《科學大師》記者，中國推進探月計劃的同時，在2012年前，專家們就已經在推動中國自己獨立的火星探測計劃立項，而這一次的軌道器、着陸器和火星車巡視三大目標爲一體的探測方案，也是一早就有的構想。2016年1月，這一計劃得到國家的正式批覆。
火星距離地球至少5500萬公里，遠大於地球和月亮之間的38萬公里。火星同時也在繞着太陽公轉，這意味着從地球走向火星，難度要遠遠高於探月。但親歷過載人航天和探月兩大工程的姜景山認爲，兩年一次的火星衝日（火星離地球的距離最近）是發射探測器的大好機會。目前這一個月是火星探測器的發射窗口，地球上發出的飛行器能夠用最短時間、最省燃料，快速到達火星，不能錯過。
這位老航天人承認，去火星的過程難度大，需要克服重重困難，但是中國先期已經進行過充分的準備和試驗，並不是在打一場無準備之戰，“箭在弦上，不能不發”。他也期待着中國探測器能成功奔向遙遠的火星。
1．“火星探測，中國已經萬事俱備”
《科學大師》：我們的探測器第一次從地球飛往火星，大家比較關注，我們事先準備得怎麼樣，技術上有多大把握？
姜景山：飛往火星，中間要穿過三個重力場，一個是地球重力場，我們的飛行器要脫離地球軌道，然後進入到太陽的重力場，再進入火星的軌道，進入火星重力場，被火星捕獲住。這個難度比飛到月球的難度大得多，因爲月球本身就是處在地球重力場的範圍之內，它是地球的衛星。
美國和前蘇聯以前之所以失敗很多次，主要原因之一，就是因爲飛行器在到達火星時沒有減速剎住車，沒有被火星軌道捕獲，失之交臂，擦肩而過，所以這個飛行速度需要克服。
在多少公里的距離之內，以什麼樣的剎車減速進入火星軌道？入軌後，又怎麼樣多次地變速下降接近火星?進入火星軌道後進一步降速，降高度，用動力、氣動力方式降落到離火星面100米，進行懸停、避障，尋找合適的落點。也就是說，諸如此類火星探測的很多關鍵技術實驗，我們都做了，都很成功，中國人做事比較踏實，也比較穩妥。
《科學大師》：也就是說，我們中國的探測器這次在火星上降落，是要用到特製的降落傘？
姜景山：因爲火星有大氣，在下降段的低端，用降落傘是好的選擇。至今，國際上降落火星曾用過兩種方式。一種是美國早先用的動力、氣動力方式降落火星，也是中國“天問一號”要用的方式，其技術我們比較成熟。
另一種方式是氣囊方式，美國以前也用過，把探測器等設備用特製氣囊包住，降到一定過程，就把它落下去，當它碰上火星地面，就會彈跳起來，連續彈跳一段距離後停住了，自己就把氣囊打開，然後就實現了跟火星的接觸。
我們已經掌握了在外星上着陸的幾種技術。
《科學大師》：原來我們探月的時候，週期拉得很長，先繞月，然後纔是着陸和月面巡視，但這一次去火星，是三步並作一步，把軌道繞飛和着陸、火星車星面巡視都合併到一起了，爲什麼這樣做？
姜景山：我們的火星探測起步較晚，中國必須有創新，大膽地把三步弄成一步。我們在探月上那麼成功，我們已經開始發射空間站了，航天技術條件都有了，爲什麼不一下蹦三步呢？載人航天的時候，中國的微波遙感，當時和國際先進水平相差20年，當時我提出來（記者注：姜景山是中國微波遙感技術的主要開創者），中國的微波遙感發展要走“跳躍式”方式，微波遙感的三個模態同時上。如果一次成功了，那就能進入國際先進行列。後來搭載神舟4號的“多模態”成功了,開闢了中國航天微波遙感新紀元。
我認爲，這是一種有科學性的“冒險”，不是盲目的冒險。我們現在火星探測三步並作一步走，也是立足於科學和技術的基礎上，都充分做了實驗。去年11月我們就大張旗鼓地公開邀請駐外使節到河北懷來基地去參觀。今年的疫情期間，我們通訊聯絡技術做了全網實驗，也成功了。
這個通訊涉及的是對飛行器的軌道控制。離地球這麼遠的距離，我們是從來沒有做過的，但這種操控能力我們現在有了。探月的時候，嫦娥二號在探月任務完成後，經過地月拉格朗日點奔向深空，地面測控系統始終抓住目標。我們已經有過實戰經驗。我們有一個大天線可以操縱控制它。在地面上，不光只是一個大天線，是天線陣，不僅在中國，其他的地方也有佈局我們的地面天線。
我們都準備好了。
2，這次火星探測，中國是完全自主的
《科學大師》：我們對火星上的環境瞭解麼？怎麼選擇着陸地點，怎麼確保着陸的完整性？
姜景山：應該講，月球沒那麼複雜，對月面上的環境，我們事先基本知道。對火星，我們現在還不太瞭解，肯定和月球環境是不一樣的。我們在上面着陸，一個前提還是要基於美國和前蘇聯原來的火星探測信息，他們去過以後，大概也掌握了火星的地貌狀況。另外，我們的飛行器在軌繞火星飛行的時候，包括降落的過程中，都是能夠實現對火星地面的直接觀測的，在避障過程中，能直接看到下面有沒有坑、有沒有大石頭。我們的激光測高技術，在100米高度上，分辨率那麼高，合適的降落點選擇沒有問題。我們設計好飛行器繞行的軌道，可以按照設計軌道降落下去，偏差很小。
《科學大師》：有個成語叫鞭長莫及，外行人會好奇，從地球到火星那麼遙遠的距離，那我們怎麼對飛行器實現控制呢？
姜景山：我們在地面可以發出指令，操控飛行器的運行。在設計的時候，它就有相應的程序輸入，只要接收到地面指令，它就能自己啓動自己的程序系統。我們只要先把這個程序都設定好、計算好。地面指令就是一個啓動指令，數據量很少，佔帶寬很小。
我們在火星上面的信息數據採集，也是這樣。降到星面後，火星上的巡視器會把數據傳到火星着陸器，（再）轉發到軌道器，軌道器再傳到我們的地球上，重要的數據一定要當時就傳回來，是慢速傳輸方式，佔用帶寬可控制。
當然，遠距離會存在傳輸時差，大概是十幾分鐘左右。我們地面對探測器的操控，也是基於這個時差，這要求我們對軌道測控的計算必須很精確，時間上不能含糊。
《科學大師》：我們這一次發射火星探測器，有外部阻力和困擾麼？
嘉賓：對我們的限制幾乎沒有，因爲我們完全是獨立自主的，發射船是我們的，測控技術是我們獨立的，軌道誰也都管不了，是公用的，除非他們發一個東西把我們打下來，這會引起國際公憤，而且如果真的發生了，我們也有反制的方法。在這方面，大家都彼此彼此，他們不敢。所以現在不存在這個情況。
《科學大師》：您怎麼理解火星探測的獨立自主性？
姜景山：當前環境下，中國必須獨立自主的發展火星探測領域，但我覺得火星探測必須全人類共同努力，必須進行密切合作，一個國家是做不了的。當然，我們也不能用當下的眼光來看待這件事情。也許幾十年、幾百年以後，整個國際社會環境、國與國的關係又會不一樣，人類的思維也在不斷變化，人類作爲命運共同體，尤其是往太空、外星上發展，都應該相互支援。
3，火星探測第一目標：找生命
《科學大師》：爲什麼我們國家要進行火星探測？
姜景山：去火星，不是短時間提出的事，我們啓動月球探測的同時，眼光已經放到火星上了。
我們中國的深空探測，第一步是月球，第二步就是火星。
火星是類地行星，它是有一點大氣層的，大氣密度是地球的百分之一。美國和前蘇聯探測照片顯示，火星地質地貌跟地球很相似，也有山，也有類似河流。
再就是，這是離我們地球最近的行星。爲什麼沒有先考慮去金星、水星？因爲它們離太陽很近，溫度很高，離地球距離也遠。還有就是火星形成的過程和形成的時間，與地球比較接近，也是40多億年。當然，金星、水星和其他太陽系的行星，小行星等也是未來的（探測）目標之一。
我們去火星，目標比較多，但排在第一位的，就是大家都關心的問題：那上面有沒有生命，我們要進行探測。火星過去有過生命沒有？是不是過去有過，後來由於某種原因消失了？生命存在的幾個條件，看起來那裡都能找到痕跡。因爲生命如果存在的話，總是要跟環境做交換的，那裡也有一氧化碳、二氧化碳、甲烷。
其中很重要的一個是甲烷。甲烷是生命的排泄物，本就是生命製造出來的氣體，我們地球上就很多。發現甲烷，說明那邊確實有某種狀態的生命跟大氣交換。歐空局、還有美國方面，都聲稱是探到甲烷了，但是也有疑議。我們對甲烷的探測也相當重視，我專門有隊伍也在做這個工作。這次到火星上去，本來也可以用微波遙感手段試驗在空氣中能不能探測到甲烷。
《科學大師》：微波遙感這麼厲害嗎，能在高空當中就探測到空氣中的成份？
姜景山：微波遙感就在軌道器上面探測火星大氣，大氣裡的甲烷頻譜我們都已經掌握了，因爲地球上甲烷本來就比較多。在這個頻譜裡，我們做一個遙感器，再加上和降落到火星的地面巡視器相互合作，能進行綜合探測。此外，還有二氧化碳、氮，這是地球最基本的要素，如果那邊也比較多，那就跟地球一樣。所以我們到那兒去，對跟生命有關的這些要素、地質環境，火星內部狀況等方面，我們都要儘可能探測。
《科學大師》：探測火星上有沒有生命存在，有什麼意義麼？
姜景山：人類早晚在地球上住不下去，就得移民。最近的就是火星，這個想法我覺得是對的。當然，也有不同的聲音，說我們又不是富得錢花不完，非得去探測火星？但是人類總得要有一個長遠打算，不能現在花光、吃光就完了，除了科學研究外，我們必須爲自己的子孫後代着想。我們應該儘可能維護好地球家園，在這個前提下，我們也應拿出很大的精力爲子孫後代謀出路。
4．“如果這次着陸成功，那就是世界第一”
《科學大師》：從你們專家來講，心裡有沒有底，說這次我們去火星，一定會有收穫？
姜景山：這次探火，基本的一個收穫，就是說中國人去了，至少是證明了這個。至於上去之後有些什麼樣的發現，這些科學目標，我們要知道哪些是必須保的，哪些是沒辦法保的。像生命探測這個事情，我們就不能作爲一個必保項，因爲存在很多的不確定性。
而必保項，最少我們上去後能夠探測火星的地質、地貌、火星環境、火星次表層及其內部結構等，至少我們的相機能把圖片傳回來。我們中科院國家空間科學中心，這次主要負責火星探測的科學目標和有效載荷配置任務，我們的隊伍也上場了。這次探測器上有好幾個相機，可以在軌道上看，可以下到火星看。這個相機的分辨率要求很高，重量很輕（小、輕、高），1克的重量就花很多很多的錢（有時候往往就因爲這1克之差導致整個失敗），一看就能看得很清楚。
《科學大師》：那在什麼樣的程度上，可以說我們這次火星探測器的發射是成功的呢？
姜景山：要有一個基本的成功標準。我的基本成功標準是，只要探測器從火星軌道下去了，着陸了，就是最大的成功。如果沒有達到三步，不要說我們是部分成功，沒有必要。在深空探測論證委員會的專家會議上我也是發表的這個意見。我們要看到這一次三步合成一步的難度和先進性，如果着陸成功了，那就是世界第一，不要說這三步都完成了纔算成功。下去了，就是成功了。
實際上，在繞火星飛行的時候，我們的軌道器只要進入科學的軌道，總能看到火星面貌，但是下去了會看到更細的東西，所以我希望能夠成功着陸。
5．“人類想移民火星，起碼得等上幾千年”
《科學大師》：現在世界上還沒有一個國家的探測器能夠從火星那邊返回地球，返回還實現不了，那人要過去，豈不是更困難？
姜景山：保守一點講，我覺得如果人要去火星的話，還得等十幾年。人去以後，還不能長時間停留在火星上，做少量的工作就得回來。不能在上面過夜。因爲它的溫度太低，跟月球是一樣的，而且，要回來還要等到火星衝日，離地球最近的“返回窗口”，否則一去一回的時間就很長了，路程可不是一年兩年。
《科學大師》：那現在大家講的所謂火星移民，豈不是要更長時間才能實現嗎？一萬年還是兩萬年後纔可能實現？
姜景山：我想，至少還要等上幾千年。移民的前提是，人類從地球到火星上來回跑，走得已經相當成熟了，技術成熟了。移民就意味着，人到那兒就可以不用回來了，在那裡創造人居條件，至少得把那邊的人類村建好了，大家可以批量過去，比如說至少一次去幾十人，那才叫做移民。
這裡，很重要的問題是未來運載的速度。如果能在幾天內到達火星，那就離移民近了。美國等國，已經提出研製以新能源爲動力的運載，其速度至少比現在的運載快幾個數量級。能用幾天時間去火星的運載的研究，我國著名的科學家、原中國工程院院長宋健院士在其專著《航天縱橫》中，早已提出過要研究一種速度接近光速的運載。這需要很長的時間，但我覺得現在至少應儘快啓動研究。
《科學大師》：也有科學家提出改造火星居住環境，火星那麼大，怎麼樣能夠改造星球上的環境？這個環境是指大的環境，還是指微觀的環境？
姜景山：改造火星整體環境，供人居住，幾乎是不現實的，但我認爲，目前先進行微觀環境的建設。因爲下一步我們準備要建一個月球站，月球沒有大氣，人在上面，必須有生命保障條件，得有氧氣。火星上可能有少量氧氣，至少可以從低密度的大氣裡邊提取氧氣，從火星表層中提取水，這些成份的規模也許比月球大。條件成熟以後，在火星上也可以建火星站，供人類居住。