“天何所沓?十二焉分?日月安属?列星安陈?”2000多年前，诗人屈原仰望苍穹，发出“天问”。
2000多年后，由此命名的天问一号探测器，成功着陆火星北半球的乌托邦平原，带领“祝融”号火星车展开火星探测之旅。我国成为继美国之后，世界上第二个成功将火星车降落在火星表面的国家。
而今，火星上的探测器正尝试告诉我们火星的过去和现在。
“探火”之路
纵观航天史，人们对火星情有独钟。
如果地球生命要“出去”，那么火星大概率是第一据点。
春秋战国时，我国古人就注意到了火星。现代以来，航空航天科学技术不断发展，但不变的，是人类的火星情结。
“火星是人类最早关注到的星体之一。”河北省天文爱好者协会理事长秦瑞强告诉记者，火星被称为地球的“孪生姐妹”，较高的相似度使得火星成为深空探测的热点。
有专家解读说，火星属于类地行星，两者几乎都形成于约45亿年前，组成结构也大致相同，有核、幔、壳。这些行星为什么能形成这样的结构?通过火星探测解答这一问题。
火星的自转方式与地球相似。而且火星和地球一样，也是倾斜着自转，这意味着火星也有四季更迭。“火星上的水、大气等条件有成为宜居星球的潜质，而且离地球比较近。”秦瑞强说。
1960年至1964年，美国、苏联均向火星发射了探测器，但均宣告失败。直到1964年10月，美国“火星4号”火星探测器才传回了有关火星表面的近距离图像，同时还回传了500多万比特的科学信息。
21世纪以来，美国、欧洲航天局相继成功发射了火星探测器。印度也加入其中，发射了首颗“火星轨道任务”探测器。
然而，人类探测火星的征程并未就此一帆风顺。
2011年，俄罗斯的“火卫一土壤”星际探测器由于发动机出现故障，未能将其送入飞往火星的轨道，“探火”再度失败。
据介绍，火星距离地球最近时也有约5500万公里，对火星探测任务的发射、测控、着陆等环节都有很高技术要求。
进入火星轨道就是一大挑战。
火星的引力场比地球小很多。环绕器需要被火星捕获，这是火星探测的一大难关。从地火转移轨道进入火星环绕轨道前，还需要进行相应的姿态调控、轨道修正等操作。
在火星着陆的过程被称为“恐怖7分钟”。这7分钟内，探测器要经历入轨、下降与着陆过程，速度将从2万千米/时降到0。“恐怖”之处在于，这段时间为无线电中断、无法控制的“黑障区”。
“一不小心探测器就跟丢了。”专家说。
特别是与月球不同，火星上也存在大气层，这让着陆器存在被烧毁的风险。虽然火星大气密度只有地球的1%，但其大气中二氧化碳占95%，氮气占3%，与从地球轨道上返回的飞船相比，着陆火星的探测器在高热状态下会发生更加复杂的物理化学反应。
即便是顺利着陆，接下来的巡视也是火星探测的一大难关。“火星上的沙尘暴会对火星车造成极大的威胁，而且为了延长火星车的寿命，通过测控让其行驶于一个相对平坦的地形中，坑、石头、软地质等都可能成为探测的环境干扰。”专家说。
河北护航
“在本次火星探测任务中，我们研制的多型测控系统，在探测器发射、火星环绕、着陆和巡视探测各个阶段，执行地面遥控、遥测、高精度的目标导航、数据接收等任务，为首次火星探测提供坚实测控和通信技术保障。”网络通信研究院(54所)天问一号任务测控系统总师耿虎军介绍。
当然，测控站并非单独行动的，任务的成功需要各个深空测控站密切配合，这些散布在广袤大地上的一个个深空测控站实力上演“联手接力”，保障探测器着陆和月球车探测。
耿虎军说，深空测控站通过组成一张看不见的“深空测控网”，将一条条命令及时准确地送达远在上亿公里之外的探测器上，精准执行着巡器与环绕器分离、火星着陆等任务所需的远程控制;高性能接收探测器获得的火星图像、火星形态结构等科学数据，同时接收探测器发回地球的遥测信息，全程掌控任务设备状态，并为任务提供数据支持。
在火星车落火的全任务过程中，喀什深空测控站和阿根廷深空测控站对环绕器和火星车实施双目标的测控、数据接收和测速测距等外测任务。
两深空测控站对环绕器接力发令，控制环绕器的姿态并进行测距测速，接收环绕器的遥测信息和数传数据。之后，喀什深空测控站对环绕器进行单站测控，通过发送上行遥控指令控制环绕器实施降轨操作，为火星车降落火星做最后的准备工作。阿根廷深空测控站对环绕器进行单站测控，其间会根据环绕器+火星车组合体的姿态和工作状态对其实施精密调整和控制，并通过发送遥控指令控制环绕器与火星车分离。两站配备的采集记录设备也在整个落火任务过程中对探测器进行精确的测定轨。在这样的“通力合作”下，探测器才能“指哪到哪”。
由于巨大的通信时延，使地面测控设备无法实时对火星车的最后落火阶段进行测控，在此期间，火星车通过预先设置好的程序自主实现落火过程。天问一号着陆后，喀什深空测控站和阿根廷深空测控站将继续作为深空网的主力装备，为整个天问一号任务的圆满成功提供坚实的测控保障。
此外，54所作为设备总体单位，主持的喀什4套35米天线组阵系统，也为天问一号任务全过程提供了技术保障。
“这套系统为火星探测任务而研制，也是我国首个35米深空探测天线阵，它可以实现对远在4亿公里以外的火星探测器进行极高灵敏度的微弱信号组阵接收。”耿虎军指出，它的研制为未来我国走向更深远的太空提供了雄厚的测控技术储备。
在广袤的星际空间，探测器距离地球会非常遥远，这导致地面站接收到的信号极其微弱。54所通过组阵技术，将4套35米天线进行组阵合成，可以将多个天线接收到的微弱信号汇合起来，能够极大地增强地面系统的接收能力。据悉，这套系统，达到了等效口径66米的接收效果，“以较小的成本代价和最优的性价比，满足了深空任务的数据接收需求。”耿虎军说。
据介绍，该组阵系统建设突破了不少关键技术，采用高性能的实时及事后多天线信号组阵合成算法，通过多天线系统的综合资源调度以及任务管理，实现天线单元间高同步高精度的时频信号分发以及数字化采样，从而为接收天问一号探测器传回的微弱信号提供高质量服务。
探寻生命
“所有的火星探索都围绕着一个核心主题——生命。”秦瑞强告诉记者，这包括了一系列问题：火星上现在有没有生命?它过去是否曾经孕育出生命?未来能否改造成适合生命生存的地方?
解答这一核心主题的前置条件，首先是要搞明白火星上有没有水?
本世纪以来，多项探测都证实火星存在水：“奥德赛”探测器发现火星大气中有微量水蒸气;“火星勘测轨道器”通过雷达探测器发现火星地表下有水冰层。
从“火星来客”——陨石中也能发现端倪。
2014年，中国科学家在一块火星陨石中发现了碳颗粒，研究认为是火星生命产生的碳，这是全球首次发表的类似成果。这一研究随后得到美国“好奇号”火星探测器团队的佐证。2018年，该团队宣布从2014年9月和2015年1月的两次钻孔采样物质中发现了多种有机物——比人们之前在火星发现的有机物要复杂和丰富得多。
专家表示，从现有研究成果看，火星表面曾有大量水流过的痕迹，有可能孕育过生命。
那么，现在火星上是否依然有生命存在?它们在哪里?火星上的水又去了哪里?这些都是值得进一步探索研究的重大课题。
“由于一些国家对于探测到的火星核心信息严格保密，天问一号的任务，就是通过环绕火星，拍摄并发回高清地图照片，再通过登陆火星，传回探测地表的第一手资料。”专家说，这将验证并解开我国科学家对火星的种种认知和疑问。
当然，火星探测，只是我国深空探测的其中一步。
“天问”不仅仅是火星探测任务的名称，而是“中国行星探测任务”的名称。这也意味着，未来的“天问”，还将走向其他行星。
除了2020年发射首个火星探测器，我国还将规划木星(及其卫星)和小行星探测。据介绍，木星是太阳系最大的行星，且拥有丰富的卫星系统，研究木星系统，对理解太阳系演化过程具有重要的科学意义。
“小行星也是很重要的探测对象。”专家表示，太阳系里的小行星很多，不少会来到地球周围，可能会对地球造成威胁。
走向深空，探索未知。在天文学家眼中，深空探测很大程度上是人类好奇心的驱动，好奇宇宙的起源、好奇生命的起源、好奇人类的未来。
“去火星，去更远的地方。”(记者 王璐丹)
