“天問一號”成功入軌火星，中國深空探測怎么走？| 專訪
潘永信（左）和王赤（右，背景是發(fā)射前一日，搭載著 “天問一號” 的長五火箭）
撰文 | 趙維杰
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每隔大約26個月，地球與火星之間的距離會達(dá)到最小。這個時間窗口，就是人類探測火星的最佳時段。2020年7月，有三臺火星探測器從地球啟程前往火星，分別是阿聯(lián)酋的 “希望號”、中國的 “天問一號” 和美國的 “毅力號”。如果一切順利，它們將于2021年2月到達(dá)火星軌道，并開始科學(xué)探測。
“天問一號” 是中國自主發(fā)射的第一臺火星探測器，由軌道器、著陸器和巡視器組成，共攜帶有13臺有效載荷，將完成 “繞、落、巡” 三項任務(wù)，對火星的地表地形、礦物組成、水冰分布、淺層結(jié)構(gòu)、大氣環(huán)境、磁場分布等進(jìn)行探測。在這次訪談中，我們采訪了 “天問一號” 首席科學(xué)家潘永信院士和 “天問一號” 有效載荷系統(tǒng)負(fù)責(zé)人王赤院士，共同探討火星探測中的科學(xué)問題，以及中國火星探測的布局與方向。
NSR：所有火星探測都試圖回答一個基本問題：火星是什么樣子的？它現(xiàn)在是什么樣的？過去是什么樣的？是否存在著或者曾經(jīng)存在過生命？在您看來，關(guān)于火星，最關(guān)鍵的科學(xué)問題有哪些？
潘永信：火星是地球的鄰居，和地球有很多相似之處，所以人們很想去了解它到底是什么樣子的，也很想知道，地球和火星這一對原本可能非常相似的姊妹星，是如何演化為今天這樣有如此巨大差別的兩顆星球的。火星的宜居性問題是火星探測中的重大科學(xué)問題，涉及火星上是否曾經(jīng)有過生命，火星是否有過海洋，火星內(nèi)稟磁場是何時消失的，火星大氣和水逃逸的機(jī)制，火星內(nèi)部構(gòu)造等，這些都是關(guān)鍵科學(xué)問題。
王赤：沒錯?；鹦鞘翘栂抵信c地球最相像的行星，這是我們?nèi)绱岁P(guān)注它的原因所在。了解火星對于了解地球、了解太陽系的演化歷史有非常重要的作用。
從另外一個角度上看，火星也是最有希望成為人類 “第二家園” 的候選行星。美國火星探測的重點一直都是尋找水和生命跡象。如果能夠找到地外生命，或者能夠在火星上創(chuàng)造出適合生存的環(huán)境，那將是能夠影響人類命運的重要問題。
NSR：我們經(jīng)常聽說，火星上曾經(jīng)存在過大量的水，現(xiàn)在也還有水，而且可能存在過生命。在這些說法中，有哪些是已經(jīng)在科學(xué)上得到證實的？有哪些還只是假說和猜測？
潘永信：火星探測器已觀測到在火星的兩極存在冰蓋。根據(jù)雷達(dá)探測的結(jié)果，在一些中低緯度地區(qū)的地下存在水冰沉積。
最近有研究者認(rèn)為，火星上現(xiàn)在也存在液態(tài)水，比如2018年意大利科學(xué)家團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在南極的冰蓋下存在液態(tài)水，但是這個觀點還存在爭議。
目前看來，有幾方面的證據(jù)表明火星上曾經(jīng)存在過大量的液態(tài)水。第一是地形地貌的證據(jù)，在火星的北半球平原周邊，地形地貌分布特征支持古海洋假說，存在許多古河道、古沖積扇、以及古海岸帶的地貌。第二是同位素的證據(jù)，氫同位素的D/H比分析結(jié)果顯示，火星上曾經(jīng)存在過大量的水，后來逃逸了。根據(jù)同位素數(shù)據(jù)估算，科學(xué)家認(rèn)為火星北半球可能存在過超過100米深的海洋。第三是火星車探測發(fā)現(xiàn)了古湖沉積地層和含水礦物的證據(jù)，發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽、硫酸鹽、赤鐵礦和層狀硅酸鹽礦物，這些礦物是需要水的參與才能形成的。科學(xué)家們已經(jīng)基本上達(dá)成共識，認(rèn)為火星上曾經(jīng)存在過大量的地表液態(tài)水。這一次美國 “毅力號” 的著陸點選在了一個可能的古河道三角洲，嘗試在那里尋找生命痕跡。
關(guān)于生命。現(xiàn)在還沒有確切證據(jù)表明火星上有生命，但是有一些間接證據(jù)或線索。比如，有機(jī)質(zhì)和甲烷。在火星，人們觀測到了甲烷的季節(jié)性變化；在地球上，大部分甲烷都是由微生物產(chǎn)生的，據(jù)此推測這種季節(jié)性甲烷變化可能也是火星微生物作用的結(jié)果。但是，這種季節(jié)性變化也可以由非生命的化學(xué)過程所解釋。所以，火星上是否存在生命還是一個并不確定、需要進(jìn)一步探索的問題。
王赤：潘老師說的很全面。關(guān)于火星上的現(xiàn)存液態(tài)水，我個人認(rèn)為相關(guān)的證據(jù)是比較充分的。對同一區(qū)域在不同時刻的遙感圖像進(jìn)行比較，并結(jié)合光譜分析，我們可以看到有些地方看起來像是冰，但是其實更可能是粘度很高的高濃度鹵水。在地下的土壤中，存在液態(tài)水的可能性也很大。“天問一號” 的一個重要探測目標(biāo)，就是去尋找水冰。
NSR：和之前各國的火星探測任務(wù)相比，“天問一號” 有什么特別之處？
王赤：我們的探月工程是按照 “繞-落-回” 三步，一步一個腳印向前推進(jìn)的。但是火星探測不是這樣，“天問一號” 將同時完成繞、落、巡三項任務(wù)，在整體和局部的不同尺度上對火星進(jìn)行探測。這是 “天問一號” 任務(wù)的一大亮點。
具體來講，軌道器，也就是環(huán)繞火星的人造衛(wèi)星，可以對火星整體進(jìn)行全球性的探測；而巡視器，也就是火星車，可以對著陸區(qū)和巡視區(qū)進(jìn)行局部的精確探測。這樣、宏觀和局部配合的觀測方式，可以讓我們更全面和細(xì)致地獲取信息，包括火星上水冰分布的情況、火星表面和大氣中的磁場等物理場的分布等等。
NSR：“天問一號”上搭載了哪幾類載荷？將會獲得哪些科學(xué)成果？
王赤：“天問一號” 一共搭載了13臺載荷，大致可以分為4類。
第一類是光學(xué)載荷，也就是各種相機(jī)，用來對火星進(jìn)行全球和局部的成像。
第二類是各種雷達(dá)，用來探測火星淺層的結(jié)構(gòu)。
第三類是光譜儀，用來分析火星土壤和礦物的成分。
第四類是大氣和空間環(huán)境的探測儀器，用來探測火星的磁場、粒子輻射和氣象環(huán)境等。
對應(yīng)于這些載荷，我們可能會得到的探測結(jié)果也包括幾個方面：
首先，利用相機(jī)成像，我們可以進(jìn)一步了解火星的地形地貌，了解風(fēng)、水流、火山運動、天體撞擊等事件對火星表面形貌的塑造過程。
其次，我們可以探測火星地表和地下的水冰分布和儲量，也可以研究火星液態(tài)水的逃逸過程。
第三，我們可以進(jìn)一步了解火星土壤的成分、分布和特征，這有助于對火星環(huán)境演化歷史的研究。
第四，我們可以對火星的空間和大氣環(huán)境進(jìn)行更全面和詳細(xì)的探測，將可以得到比以往更具系統(tǒng)性的結(jié)果。
NSR：在這些可能取得的探測成果中，有哪些是您個人特別期待的？
潘永信：我認(rèn)為任何直接的觀測結(jié)果和第一手?jǐn)?shù)據(jù)都很值得期待。盡管人類已經(jīng)有過數(shù)次成功的火星探測，但是對于火星來講，有直接的觀測結(jié)果區(qū)域很少，特別是巡視探測依然很有限。因此，“天問一號” 將實現(xiàn)我國首次對火星的直接探測，尤其是可獲得天地聯(lián)測的系統(tǒng)性數(shù)據(jù)，都是很寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)。
王赤：確實如此。我個人很感興趣的一個問題是火星的磁場。我們推測，火星上曾經(jīng)存在過與地磁場類似的全球范圍的磁場。磁場可以阻止大氣逃逸，也可以防御太陽風(fēng)，從而保護(hù)行星上可能存在的生命。但是在過去的某一個時間，火星內(nèi)部的運動停止了，磁場也消失了，于是火星變成了一顆年老的、不活動的星球。我非常希望能夠獲得關(guān)于火星磁場演化歷史的更多信息。
NSR：和 “嫦娥四號” 不同，“天問一號”的著陸器上沒有安裝任何載荷。這是為什么呢？
王赤：“天問一號” 的著陸平臺相對比較簡單，它的主要作用是承載火星車安全著陸，為了保證這個基本任務(wù)的完成，我們沒有對著陸平臺做出科學(xué)探測方面的要求，它也并不具備安裝科學(xué)載荷的相應(yīng)條件。
NSR：您對 “天問一號” 任務(wù)的成功有信心嗎？我國還有哪些后續(xù)的火星探測計劃？
王赤：我很有信心。而且我們的信心建立在前期扎實的技術(shù)準(zhǔn)備之上，不是盲目的自信。“天問一號” 是沒有備份星的，所以如果這一次失敗了，我們不太可能在兩年之后重復(fù)同樣的任務(wù)。但是對于航天探測來說，成功是經(jīng)驗，失敗也是寶貴的財富。在徹底歸零、尋找失敗原因的過程中，我們的技術(shù)會變得更加扎實可靠。
后續(xù)，我們還有到火星采樣返回的計劃。無論 “天問一號” 是否完全成功，我們的火星探測計劃都一定會繼續(xù)進(jìn)行下去。
NSR：“天問一號” 的科學(xué)目標(biāo)和載荷配置是如何確定的？
王赤：中國的月球和深空探測計劃是作為一個整體來進(jìn)行規(guī)劃的。國家航天局組織了全國性的科學(xué)委員會，由中科院牽頭，組織國內(nèi)外的幾百名科學(xué)家，對各種可能的探測項目分別進(jìn)行論證。在最終制定的規(guī)劃中，我們暫時擱置了對太陽和金星的探測，而對月球、火星、木星系、小行星目標(biāo)，我們制定了詳細(xì)的科學(xué)目標(biāo)和探測計劃。
NSR：這個規(guī)劃還會繼續(xù)改進(jìn)嗎？我們將來是否可能再去探測金星或者其他天體？
王赤：當(dāng)然，我們現(xiàn)在的規(guī)劃制定到2030年左右。將來一定還會制定更加長遠(yuǎn)的計劃。而且，在國家層面的計劃之外，中科院也單獨設(shè)立了空間科學(xué)先導(dǎo)專項，可以部署一些創(chuàng)新性比較強(qiáng)的小型空間探測項目。對金星和太陽系邊界的探測，都在我們目前的論證范圍之內(nèi)。
NSR：2020年11月，在成都召開了 “首次火星探測任務(wù)有效載荷探測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理第四次學(xué)術(shù)研討會”，這個系列的會議對我國火星探測任務(wù)的推進(jìn)起到了怎樣的作用？
潘永信：我認(rèn)為這是一個非常重要的系列會議。它把火星探測的科學(xué)家團(tuán)隊、工程師團(tuán)隊和管理團(tuán)隊聚集在一起，對從科學(xué)問題到載荷再到科學(xué)數(shù)據(jù)的許多具體問題進(jìn)行反復(fù)的探討和交流。在2020年11月的成都會議上，專家們圍繞 “天問一號” 的載荷，在火星地質(zhì)、地球物理、空間科學(xué)等幾個方面分別進(jìn)行了充分的討論，同時也探討了如何才能更好地利用將要獲得的數(shù)據(jù)來開展科學(xué)研究，做出好的成果。
王赤：我參加了這個系列的前三次會議。我認(rèn)為這個會議的主要作用有兩方面。第一，它為我們的管理團(tuán)隊、工程團(tuán)隊和科學(xué)團(tuán)隊提供了一個溝通和交流的平臺。讓科學(xué)家們真正了解工程師制造的載荷的工作原理和性能指標(biāo)，只有這樣，科學(xué)家們才能正確理解和分析最終拿到的數(shù)據(jù)。第二，要在拿到數(shù)據(jù)之后盡快將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為成果，我們需要提前做一些理論模型和數(shù)據(jù)分析方法上的準(zhǔn)備。這個會議提供了交流平臺，來推動這些前期工作。
NSR：美國的 “毅力號” 也和 “天問一號” 同期前往火星。比較有意思的一點是，毅力號上搭載了一架無人機(jī)。您覺得無人機(jī)將會成為地外行星探測中的一種常規(guī)載荷嗎？
王赤：這臺小型的自主飛行直升機(jī)是 “毅力號” 的一大創(chuàng)新點。火星上的空氣比較稀薄，但是也可以支持無人機(jī)飛行。而無人機(jī)剛好可以在衛(wèi)星的大尺度探測和巡視器的小尺度探測之間，補(bǔ)充中尺度探測的空白。和地面巡視器相比，無人機(jī)可以走得更快、更遠(yuǎn)，也可以進(jìn)入更加陡峭、復(fù)雜的地形進(jìn)行探測。因此，我認(rèn)為無人機(jī)探測會成為未來火星探測活動中的一個非常重要的手段。
NSR：美國有非常豐富的火星探測經(jīng)驗，他們的探測活動技術(shù)先進(jìn)、規(guī)模也很大。您認(rèn)為他們有哪些做得很好、值得我們學(xué)習(xí)的成功經(jīng)驗？
王赤：有幾個方面是值得我們學(xué)習(xí)的。第一方面，美國的火星探測有穩(wěn)定、長期的規(guī)劃，每一步都有非常明確的路線圖。要做好火星探測，長期穩(wěn)定的規(guī)劃和支持是最基本的保障。
第二方面，美國火星探測的科學(xué)目標(biāo)非常明確，其實就是要看火星上是不是存在著，或者曾經(jīng)存在過生命。為了達(dá)到這個最終的目標(biāo)，他們先是follow the water，然后再去直接探測生命跡象。他們非常明確地選擇了一個非常重要的科學(xué)目標(biāo)。而且，美國有非常強(qiáng)大的行星科學(xué)研究隊伍，在火星研究方面有很豐富的前期科學(xué)積累。相對來講，我國還缺少真正的 “火星科學(xué)家”。
第三方面，美國的載荷技術(shù)非常先進(jìn)。和美國相比，我國許多載荷的性能指標(biāo)還有相當(dāng)大的差距。
從這幾個方面來看，我們還有很多需要提高的地方。
潘永信：我贊同。我們確實缺少長期規(guī)劃，也缺少穩(wěn)定的科學(xué)研究人才隊伍。過去幾年來，中科院和高校在積極推動我國的行星科學(xué)一級學(xué)科建設(shè)，這是重要的舉措，必須培養(yǎng)出一批優(yōu)秀的行星科學(xué)研究者，在未來幾十年中持續(xù)、穩(wěn)定地推動我國的行星科學(xué)研究。只有這樣，我們的行星探索才能取得更多、更大的科學(xué)成果。
工程團(tuán)隊和科學(xué)團(tuán)隊的交流、融合也非常重要。美國 “勇氣號” 和 “機(jī)遇號” 首席科學(xué)家史蒂夫·斯奎爾斯撰寫了《登陸火星》一書，他在書中描寫了他與工程師團(tuán)隊之間的一些交流過程，以及雙方是如何為兼顧科學(xué)目標(biāo)和工程目標(biāo)而做出努力的。我們需要加強(qiáng)科學(xué)團(tuán)隊、工程團(tuán)隊和管理團(tuán)隊之間的交流和協(xié)作。
NSR：NASA在數(shù)據(jù)公開方面做得很好，我們的情況如何？
潘永信：制訂和完善數(shù)據(jù)公開相關(guān)的規(guī)范和制度很重要，在成都的會議上，也有很多相關(guān)討論。要保證數(shù)據(jù)的可靠性、規(guī)范性，并按照規(guī)定流程將數(shù)據(jù)及時發(fā)布給研究者。從科學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)角度來說，這是大家共同訴求。
王赤：現(xiàn)階段，美國空間探測數(shù)據(jù)的規(guī)范性、公開性和公開速度是最好的。我覺得這有幾方面的原因，一方面他們有非常完善的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)規(guī)范，所有數(shù)據(jù)的使用者都會對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的引用和致謝，另一方面，他們的核心科學(xué)團(tuán)隊實力雄厚、非常自信，他們歡迎所有研究者利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，同時也相信最核心的研究成果一定會出自核心團(tuán)隊本身。
潘永信：確實如此。優(yōu)質(zhì)的觀測數(shù)據(jù)可吸引更多科學(xué)家加入到核心科學(xué)研究團(tuán)隊，而這些科學(xué)家又可以推動下一步的探測計劃，獲得更多探測數(shù)據(jù)，最終形成正向的反饋，提高我國行星探測和行星科學(xué)研究的整體水平。
NSR：2020年有三臺探測器前往火星。許多其他的國家、組織和公司也都有火星探測計劃。您如何看待各國之間的競爭與合作？
王赤：從科學(xué)探索的角度來說，國際合作是大勢所趨。探索地外生命、尋找第二家園是全人類的共同理想，而國際合作可以分?jǐn)偝杀尽⒐蚕頂?shù)據(jù)，也可以在技術(shù)上取長補(bǔ)短、降低風(fēng)險。因此我認(rèn)為，雖然現(xiàn)階段各國之間有競爭，但是長期來看，人類一定會在空間探索中攜起手來。
潘永信：沒錯。而且對于國際合作，中國深空探測一直倡導(dǎo)和保持著開放的態(tài)度。
NSR：在火星探測項目中，兩位老師有哪些感受和期望？
王赤：我在2007年就開始參加中國的火星探測項目。當(dāng)時俄羅斯開展了 “火衛(wèi)一土壤計劃”（Phobos-Grunt），打算到火衛(wèi)一采樣返回。中國與俄羅斯合作，研制了 “螢火一號” 衛(wèi)星，計劃搭乘俄羅斯的火箭，一起前往火星。但是在2011年，這個計劃在發(fā)射過程中發(fā)生意外，“螢火一號” 只到達(dá)了地球軌道，沒能前往火星。
而現(xiàn)在，中國已經(jīng)有了自己的長征五號大型運載火箭，也建設(shè)了自己的深空測控網(wǎng)，終于可以完全依靠自己來進(jìn)行火星探測項目。所以，在參與火星探測的過程中，我最大的收獲和感觸是，我們的科技發(fā)展一定要做到自立自強(qiáng)。
潘永信：2020年7月23日，我和王赤主任在文昌發(fā)射場觀看了 “天問一號” 的發(fā)射?？粗L征五號火箭帶著 “天問一號” 飛上天空，真的非常激動，更充滿了期待。能夠參與首次火星探測工程，對我來說是使命與責(zé)任。非常希望能和科學(xué)家團(tuán)隊一起，靜下心來，一步步把火星研究越做越好。非常期待 “天問一號” 能夠走好每一步，能夠順利達(dá)到火星，接下來圓滿完成 “繞、落、巡” 的各項任務(wù)。也非常希望我們后續(xù)的行星探測計劃都能順利進(jìn)行，讓我們通過認(rèn)識我們的鄰居，更好地認(rèn)識我們的地球家園。
原文鏈接：
Tianwen-1 and China's Mars exploration program
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab001
制版編輯 | 盧卡斯
