今年10月,中国的第一个火星探测器“萤火一号”将搭载俄罗斯火箭正式启程,迈向更深的太空
　　
　　《财经》记者 于达维
　　
　　7月20日,浙江嘉兴。当整个长江流域的人们都在对两天后的日全食翘首以待时,一个关于火星探索的研习班在这里悄悄举行。
　　
　　这个由中国和欧洲空间局(ESA,下称欧空局)联合主办的研习班,吸引了来自中国科学院空间科学与应用研究中心(下称空间中心)、国家天文台、上海天文台以及国内高校的50多名研究人员。
　　
　　而即将于今年10月搭乘俄罗斯运载火箭奔赴火星的中国首个火星探测器“萤火一号”,成为人们关注的焦点之一。
　　
　　这次火星之旅并非由中国独立完成,但这仍然是中国继探月之后,在深空探测方面迈出的重要一步。中国科学院空间中心主任吴季告诉《财经》记者,“我们仍然可以完成许多重要的工作。”
　　
　　如果此次中俄联合火星探测一切顺利,2012年后,中国自主探测火星的计划亦有望进入现实图景。
　　
　　携手之路
　　
　　中俄两国之间的太空合作,开始于上世纪90年代初。1992年,两国签署了政府间太空合作协定;2000年,在中俄总理定期会晤委员会框架下,又成立了航(空)太(空)合作分委会。
　　
　　2003年9月,俄罗斯空间科学研究所副所长奥列格·科拉伯列夫(Oleg Korablev)在一次学术会议上,报告了火星的卫星“火卫一”采样计划,并正式邀请中国参与这一计划。
　　
　　2005年,中国科学院紫金山天文台研究员李广宇等人,提出了中俄合作进行火星及“火卫一”探测计划的设想。
　　
　　他对《财经》记者透露,这份报告后来引起有关领导重视,之后,中国就委托中科院空间中心和俄方进行具体会谈。
　　
　　2007年3月25日,中国国家航天局局长孙来燕与俄罗斯联邦航天局局长别尔米诺夫,在莫斯科共同签署了《中国国家航天局和俄罗斯联邦航天局关于联合探测火星-火卫一合作的协议》,确定双方于2009年联合对火星及其卫星“火卫一”进行探测。
　　
　　根据协议,俄方的“火卫一土壤”探测器与中国的探测器将由俄方运载火箭同时发射,中方探测器由俄方空间飞行器送入绕火星的椭圆轨道。
　　
　　同年6月27日,中俄雙方在莫斯科签署了有关共同探测火星及其卫星“火卫一”的商务合同。
　　
　　中俄联合火星探测器副总设计师、上海卫星工程研究所研究员陈昌亚对《财经》记者指出,这是一个共赢的结果,因为中国希望发展自己的空间技术,而俄罗斯也迫切需要在太空探索中找到一个伙伴。
　　
　　他解释说,根据中国原定的火星探测计划,中国首次探测火星要到2020年;而通过与俄罗斯的合作,不仅将这一时间提前了十多年,也将大大推进中国对火星的认识。
　　
　　俄罗斯将这次火星探测计划命名为“福布斯-格兰特”(Phobos-Grunt,下称福布斯),意思是“火卫一”—“土壤”。在希腊神话中,Phobos是战神阿瑞斯(火星)和美神阿佛洛狄忒(金星)的两个儿子之一,代表着恐惧;1877年,美国海军天文台的天文学家阿萨夫·霍尔发现“火卫一”后,就以此为之命名。
　　
　　在飞行十个月后,福布斯将于2010年8月抵达火星轨道,并释放中国的小卫星;之后,福布斯探测器将围绕火星轨道飞行数月,并最终在“火卫一”着陆。从“火卫一”采集土壤样本后,福布斯将同飞船生命星际飞行试验舱一同返回地球。
　　
　　如果一切顺利,装有“火卫一”土壤的密封舱,将在2012年6月15日至7月20日间运回地球。这些采集自“火卫一”的土壤,有望成为自人类从月球取回土壤后,首次从外星球取回的土壤样本。
　　
　　之所以选择在“火卫一”上取样,是因为在火星上克服引力场起飞把样品带回地球,需要消耗大量的燃料;而“火卫一”的引力场显然要小得多,只有地球的6%。
　　
　　在吴季看来,更确切地说,这个项目是一个中俄美欧合作的项目,因为探测器上搭载的生命星际飞行试验舱来自美国,火星大气探测的着陆器则来自芬兰。前者旨在研究生物能否在外太空未加防护的情况下长时间存活,为人类最终登陆火星铺平道路;后者则将在火星上释放气球,以进行大气探测。
　　
　　四大任务
　　
　　火星在中国古代被称做“荧惑”,一是因为它是红色的,二是因为它的运动飘忽不定。因此,中国此次发射的小卫星被取名为“萤火一号”:一方面跟“荧惑”谐音,另一方面,也是因为这是一个小卫星,像深空中的萤火虫的光芒那样微小。
　　
　　截至目前,人类共进行了41次火星探测,其中20次成功获取了数据,15次进入了火星轨道,8次完成了着陆,并释放了三个巡视探测器(也就是火星车)。
　　
　　对于刚刚迈出月球探测这一步的中国而言,探测火星无疑是一个新的挑战,因为从火星到地球,最近距离也有5000万公里,而月球距地球只有38万公里。因此,中科院空间中心主任吴季对《财经》记者表示,这对于深空测控、入轨精度以及姿态调整等,都有很高的要求;而且,信号在传输过程中的多普勒频移,也会影响到测控通信的精确度。
　　
　　“截至目前,中国还没有这种独立的深空测控能力。”吴季坦言。
　　
　　此外,行星际航行过程中要经历复杂的空间环境,包括地球辐射带、行星际太阳风以及剧烈的温度变化。火星上季节性的巨大沙尘暴,也会影响轨道器的光学观测以及着陆器能源系统的工作;加上火星上高山峡谷密布、重力场复杂,质量的不均匀分布,也加大了轨道控制的难度。
　　
　　因此,这次能够与俄罗斯合作探测火星,对中国来说不啻为填补这一空白的绝好机会。根据两国之间的协议,俄罗斯分配给中国的探测器载荷为110千克,后来又增加到115千克。这就意味着,中国只能利用一颗小卫星,来完成科学探测任务。
　　
　　由于载荷有限,无法携带可供变轨的燃料,因此,只能在围绕火星赤道运行的既定大椭圆形轨道上,尽最大可能设计科学目标。
　　
　　据悉,中国科学家为“萤火一号”设定了四个科学目标,包括探测火星空间磁场、电离层和粒子分布及其变化规律,火星大气离子的逃逸率,火星地形、地貌和沙尘暴,以及火星的重力场。“萤火一号”上携带的仪器,也包括电子分析仪、离子分析仪、掩星接收机、光学相机和磁通门磁强计等。
　　
　　其中第二个目标,也是目前国际上火星研究的热点。因为以前的探测中,都发现了火星存在大量的氧逃逸现象。如果能够测定逃逸的速率,就能够回推火星上曾经存在多少水资源。
　　
　　而第四个目标,则是这条特殊的轨道所带来的优势,因为“萤火一号”自身没有动力,轨道又非常大,会受到各种干扰。中科院上海天文台研究员黄乘利就提出,正好可以借助轨道的变化,反推火星重力场的变化。
　　
　　目前,“萤火一号”正在莫斯科拉沃什金生产联合体进行最后的测试,测试情况良好。今年10月,将在哈萨克斯坦的拜科努尔发射场,由“天顶号”运载火箭发射升空。
　　
　　自主与合作
　　
　　在研制“萤火一号”的过程中,最为棘手的技术难题,仍然是远程测控通信:尽管俄罗斯的火箭可以把卫星送入火星轨道,但中国还是要自己对它发出指令,需要在最远3.6亿公里之外对其进行控制。
　　
　　因此,中俄两国和欧空局商议,借用他们的地面天线,配合中国北京密云、云南昆明的地面站进行通信。
　　
　　第二个困难,是“萤火一号”在远火点附近要经历一段阴影区,即火星会把投射到“萤火一号”上的太阳光遮挡。这段大约八个小时的低温,很可能会把仪器冻坏。
　　
　　吴季告诉《财经》记者,目前的检测结果,是仪器的抗低温能力可以保证其在轨道上运行一年;但鉴于卫星的设计寿命为两年,所以,只能说如果幸运的话,它可以完成全部工作。
　　
　　曾经有专家在接受采访时说,中国自主探测火星可能还要20年时间。对此,中俄联合火星探测器副总设计师陈昌亚认为,这种观点过于悲观。
　　
　　在他看来,通过与俄罗斯的合作,中国在远距离通信、远距离控制等深空探测的关键技术上都会得到提升,这也为中国未来的自主探测火星创造了条件。
　　
　　陈昌亚对《财经》记者表示,只要在现有的探测器上加上带燃料的上面级,让它自己推进,中国的火箭就完全有能力将它送到一定轨道,而后再靠其推进舱进入火星。
　　
　　不过,他也承认,主要是在通信能力上,目前中国还不足以完成自主火星计划,中国缺乏足够大的天线支持。但随着2012年以后,中国在建的大天线投入使用,这一瓶颈亦有望获得突破。
　　
　　具体到中国将以何种方式自主探测火星,据《财经》记者了解,目前尚未有最终的定案。
　　
　　一种可能是,制造一个新的航天器,对火星进行更近距离的观测。但知情人士透露,也不排除對已有的“嫦娥”系列航天器进行改造以用来探测火星的可能性。
　　
　　当然,除了启动中国自己的自主探测火星计划,更多地参与国际火星探测计划,也是一个不可回避的选择。虽然泛军事化色彩仍未最终消失,但在目前的太空探索领域,资源共享、避免重复毕竟已成共识。
　　
　　欧空局“火星快车计划”(Mars Express,MEX)项目科学家奥古斯汀奇卡罗(Agustin Chicarro)在接受《财经》记者采访时就指出,目前世界各国都对探测火星有着浓厚兴趣,2013年前,各国也纷纷制定了相对独立的火星探测计划。但他表示,仍希望借助ExoMars这个项目,让大家走到一起。
　　
　　ExoMars是欧空局研制的最新一代火星车,原计划2013年发射,目前进程略有推迟,计划是2016年发射轨道器,2018年发射火星车,并在2020年形成一个火星观测网络。
　　
　　奇卡罗解释说,欧盟之前给予这个项目的投资预算为8.5亿欧元,但现在看来需要12亿欧元才能全部完成,仅靠原来的预算经费,只够完成前两个计划。
　　
　　因此,他对《财经》记者透露,现在的计划是由欧洲来做轨道器和火星车,火箭和形成网络的工程由美国承担。据悉,目前日本亦有意参加,因此非常希望中国也能加入进来。■