為人類認知宇宙貢獻中國力量
——專訪中國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋
今年5月15日，中國首次火星探測任務天問一號探測器在火星成功著陸。如今，祝融號火星車已運行超過210個火星日，環(huán)繞器在軌510多個火星日……從發(fā)射、環(huán)繞到著陸、巡視，天問一號的一舉一動，備受世界關注。
近日，英國《自然》雜志公布了2021年度十大人物榜單，聚焦在今年的重大科學事件中占有一席之地的人物，中國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋成為唯一入選的中國人。
火星車的工作狀態(tài)如何？火星探測將有哪些新發(fā)現(xiàn)？中國何時能從火星帶回土壤？針對火星和行星探測的熱點話題，本報記者近日對張榮橋進行了專訪。
火星車實施拓展性巡視探測
2月10日，實施近火制動，成功環(huán)繞火星；5月15日，在預選著陸區(qū)完成教科書式的精準著陸；5月22日，火星車駛離著陸平臺，踏上火星大地進行巡視探測，開啟火星“探險之旅”——天問一號實現(xiàn)了一次任務完成環(huán)繞、著陸、巡視的三大目標，邁出了中國行星探測征程的重要一步。
“目前，天問一號環(huán)繞器和祝融號火星車的狀態(tài)良好。”張榮橋說，到今年8月15日，祝融號火星車完成了既定的90個火星日的科學探測任務。在此期間，位于火星軌道的環(huán)繞器主要為火星車進行中繼通信，將火星車巡視探測獲取的科學數據傳回地球。
張榮橋介紹，在完成了90個火星日巡視探測任務之后，火星車度過了日凌階段——太陽運行至地球和火星中間，受太陽電磁輻射干擾，器地通信不穩(wěn)定。按照既定預案，火星車在日凌期間暫?？茖W工作，定時自檢自測。
日凌結束后，祝融號火星車繼續(xù)向烏托邦平原南部——據科學家初步認為的古海洋與陸地交界地帶行駛，開展拓展性巡視探測任務，探尋火星起源與演化之謎的線索。而環(huán)繞器則進行了軌道的進一步優(yōu)化調整，在開展火星環(huán)繞探測的同時，兼顧火星車的中繼通信。
“相對來講，在拓展任務階段，火星車行駛的頻次要比原先少一些?！睆垬s橋說，“每個月我們都要組織相關人員對下一個月的運行計劃進行研究確定，負責日常飛控管理的小組，每天要制定運行策略并實施控制和監(jiān)視運行狀態(tài)。”
“比如著陸區(qū)的沙丘、巖石等典型地形地貌，火星車要不要停下來做詳細觀測？火星車行駛中遇到溝坎等復雜地形，要不要繞行？針對這些問題，大家共同商量、制定計劃。”張榮橋說。
巡視探測期間，祝融號火星車高效運行，獲取了巡視區(qū)域地形地貌影像、行駛路徑磁場信息和地下剖面結構信息、巖石、沙丘等典型地物的成分信息、溫度、氣壓、風向、風速氣象信息等第一手科學數據。張榮橋說，科學家認為，祝融號火星車的著陸地點有更多科學發(fā)現(xiàn)的機會，通過研究可以增加人類對火星的認知。
自今年8月以來，中國國家航天局已發(fā)布五批天問一號科學探測數據。到目前為止，科學家通過對探測數據的研究，陸續(xù)發(fā)布了一些研究成果。
“我們希望科學家有更充裕的時間，充分挖掘科學探測數據中的科學信息。明年，我們計劃召開首次火星探測任務科學研究成果交流會，相信其中會有中國人自己的原創(chuàng)成果?！睆垬s橋說。
中國行星探測工程開放合作
日前，中國國家航天局與歐洲航天局（歐空局）宣布，天問一號與歐空局“火星快車”任務團隊合作，于11月開展了祝融號火星車與“火星快車”軌道器在軌中繼通信試驗，取得圓滿成功。
張榮橋說，此次合作雙方團隊“一拍即合”。試驗過程中，祝融號火星車向“火星快車”發(fā)送測試數據，“火星快車”接收數據后轉發(fā)給歐方，再由歐方轉發(fā)至北京航天飛行控制中心，中方技術團隊解譯后，判讀數據的正確性。
“通過這次合作，驗證了歐方軌道器與我們的火星車進行中繼通信的可行性，我們也驗證了相關設計標準與國外設備的兼容性?！睆垬s橋說，后續(xù)雙方還將進一步開展科學數據中繼通信合作。
在天問一號任務實施過程中，中國與有關國家和國際組織在測控支持、載荷研制、科學研究等方面開展了卓有成效的合作，共同為增進人類對宇宙奧秘的認知貢獻智慧和力量。
張榮橋舉例說，在天問一號探測器研制過程中，中國與歐空局就火星的環(huán)境模型數據進行了技術交流；今年10月日凌期間，中國與歐洲和澳大利亞天文研究單位聯(lián)合，利用分布在世界各地10多處的射電望遠鏡開展了太陽掩星探測，通過分析電磁波信號受太陽風干擾的情況，研究太陽風內稟湍流引起的行星際電子密度漲落等科學問題；此外，中國還與美國國家航空航天局、歐空局開展了火星探測器軌道數據交換合作等。
“中國行星探測工程是開放的?！睆垬s橋說，“我們歡迎有意愿的國家在各個層級上開展合作。”
張榮橋表示，火星探測數據研究是接下來的合作重點?！拔覀兊臄祿浅ＸS富，開展合作的空間很大。按照中國國家航天局的相關管理規(guī)定，探測數據屆時會向全世界的科學家提供。各國科學家可通過其主管部門，與中國國家航天局聯(lián)系交流合作事宜。”
2030年前后實施火星取樣返回
按照中國行星探測工程的整體規(guī)劃，到2030年前后，中國將以火星探測為主線，開展小行星探測、火星取樣返回和木星系探測等任務。
“目前小行星探測任務已進入初樣研制階段，我們將努力按照既定計劃發(fā)射實施?！睆垬s橋說，小行星探測任務除了科學研究的意義之外，也將通過技術的遞進式發(fā)展，為后續(xù)火星取樣返回驗證相關技術。
“火星取樣返回對全世界來說都是一個技術挑戰(zhàn)，目前還沒有國家做得到?！睆垬s橋說。
人類已經實現(xiàn)了登月，嫦娥五號在去年完成了月球采樣返回的壯舉，從火星取樣返回為什么這么難？張榮橋直言，從火星取樣返回與月球有天壤之別。
難點之一是“逃逸速度”——火星的“個頭”比月球大得多，從火星上起飛返回需要更大的逃逸速度，這就要求火箭有更強的動力。
難點之二是“大氣”——與月球的真空環(huán)境不同，火星表面存在大氣，從火星表面起飛就像在地球上發(fā)射火箭一樣，需要一整套適應火星大氣環(huán)境的飛行產品及其控制系統(tǒng)。再加上往返火星路途遙遠，火星環(huán)境惡劣，都增加了取樣返回的難度。
“諸多難點最終都集中在一個課題，就是火星表面的起飛。這涉及到燃料低溫儲存技術、動力技術、控制技術等。我們準備利用兩到三年的時間，把這些關鍵技術解決掉?！睆垬s橋說。
木星系探測也是中國行星探測的目標之一。張榮橋說，到目前為止，人類對木星系的認知尚淺、探測有限，木星系孕育著大量科學新發(fā)現(xiàn)的機會。
“木星距離地球非常遙遠、環(huán)境極其惡劣。到達木星附近，它的太陽光照強度只有地球附近的3%。如何獲取能源、抵御和適應極端的空間環(huán)境，這都是要努力解決的難題?！睆垬s橋說，從月球到火星，再往外走向木星，這是中國行星探測走向深空的必然趨勢，也將帶動相關技術的發(fā)展。
一步實現(xiàn)“繞著巡”展現(xiàn)擔當精神
天問一號探測器成功著陸火星的那一刻，張榮橋激動落淚的場景令很多人動容?；叵肫甬敃r的感受，張榮橋說，又甜又咸的眼淚中，有喜極而泣，也有如釋重負。
“為了這項任務，我們堅持奮斗了10年，兌現(xiàn)了對國家的承諾。一次實現(xiàn)‘繞著巡’，成功來之不易?！睆垬s橋說。
“去火星，中國人是第一次。當我們瞄準這個任務的時候，也在猶豫和思考，到底該怎么去？”張榮橋說，最初設計火星探測方案時，也想采取與中國探月工程“繞落回”三步走類似的步驟。
“但我們還是不甘心?！睆垬s橋直言，一方面，中國已經成功實現(xiàn)了載人航天和探月工程，為火星探測奠定了技術和能力基礎；另一方面，中國火星探測起步較晚，中國科學家對火星研究需求迫切，如果還是四平八穩(wěn)，就不能滿足發(fā)展的需要。
“我們要有擔當精神，有承擔風險的勇氣?！睆垬s橋說，“通過努力，一次任務實現(xiàn)對火星‘繞著巡’，風險可控?！?/p>
風險可控絕不意味著沒有風險。歷史上，火星著陸巡視任務的成功率僅為40%多一點。面對巨大挑戰(zhàn)，中國火星探測任務在方案設計初就做了全面詳實的任務實施計劃，對技術方案進行反復設計確認，并開展了大量地面試驗驗證工作。
“很多人說，中國火星探測任務圓滿成功太容易?！睆垬s橋說，“其實非常不容易，靚麗的成功背后一定有艱難曲折。”
張榮橋說，就像運動員一樣，賽場上完美的動作背后是反復練習中的失誤、摔倒，火星探測任務在產品的設計、試驗等環(huán)節(jié)也出現(xiàn)過反復甚至是錯誤。“我們在摔打中得到了經驗，提高了能力和水平，確保了最終的任務成功?！?/p>
“現(xiàn)在來看，一步實現(xiàn)‘繞著巡’的路子是完全正確的——第一，技術上實現(xiàn)了跨越，我們成為第二個具備火星巡視探測能力的國家，在行星探測領域進入到國際先進行列。第二，節(jié)省了經費。更重要的是，火星探測長了國人的底氣，為后續(xù)實現(xiàn)火星表面采樣返回堅定了信心?！睆垬s橋說。
“首次火星探測任務成功，是上千家研制單位和數萬名科技工作者共同努力取得的，匯成一句話，就是中國力量?！被仡櫥鹦翘綔y任務，張榮橋感慨道，“從事航天事業(yè)需要一種情懷?？吹轿覀兯鶑氖碌氖聵I(yè)得到國家和人民的認同，為國家發(fā)展添磚加瓦，我們感到非常榮幸?！?/p>
記者：劉 峣