写在祝融号火星着陆之际：祝愿中国深空探索走出新路，行稳致远

2021年5月，已在火星轨道上运行近三月的“天问”号火星探测器成功地向火星表面释放了“祝融”号火星车着陆器。这是一个具有里程碑意义的事件。

对于中国航天事业而言，第一个火星着陆器只要成功着陆，就是伟大胜利。而对于以后的火星着陆器以及整个深空探测如何选向，则应有所深思熟虑才对。显而易见，对于火星表面的测绘，观测与探索，美国在过去的几十年似已做得滚瓜烂熟。甚至于谷歌公司类似于“谷歌地图”，多年前就推出了“谷歌火星”。近年来美国的深空探测似进入了“无主题”时代，美国的火星着陆器与火星车，感到没有明确的探索目标，有凑数的嫌疑，通常纯粹的“秀技术”份量大于科学探测的份量。

我们认为，中国深空探测应当具有独立思考，走出新路，以后数十年深空星探测应当设立明确目标：长期目标是实现载人火星着陆探险，目前的短期目标则为投送火星车，为载人火星着陆打前站。

目前，在不少人的印象中，载人火星航行好像不是一件什么难事。这是因为，近年来美国人马斯克在做火箭的时候，顺便谈了不少移民火星的话题。他曾经不止一次高谈阔论，用温室效应提高火星温度，最终再造火星水圈与大气……可是他忽略了一个重要事实：火星表面所含的水（冰）源不多，全部如愿地用起来，也不足以在火星表面形成可与地球相比拟的海洋。“问天”项目总工程师张荣桥先生指出：移民火星计划是不切实际的。我们非常赞同张先生的观点。我们要讨论的“载人火星着陆”，其实与目前流行的“火星移民”说法其实是两件事情。

为了较得直观地谈论“载人火星航”航行话题，让我们首先对于地球、火星以及她们所在的太阳系做一个稍清晰一点的描述。太阳系很大，在靠近太阳附近，有几颗具有固体表面的大行星，稍远处则有几颗在可探测深度范围内没有固体表面气态的大行星，更远处还有许多以冥王星为代表的矮行星以及彗星。非常值得关注的是，太阳系的这些大行星基本上在一个平面上，并以太阳为一焦点做椭圆（接近圆周）轨道做公转，运行方向一致，其中火星公转轨道平面与地球公转轨道平面（即黄道平面）的夹角约为1.9°……

为了便于形成直观印象，我们将太阳系尺度缩小100亿倍，即一万公里记为1毫米，这时地球只有1.3毫米，与一粒芝麻相当，火星还要小，仅0.7毫米，太阳则大多了，直径有130毫米，比足球略小一点。地球到太阳距离约1.5米，火星到太阳距离约为2.2米。木星比较大，15毫米直径，与蚕豆相当，距离太阳5米左右，而距离太阳最远的大行星——海王星与太阳的距离达到45米，直径约为5毫米，就豌豆那么大……已经比较深入观测研究过的太阳系大行星地盘就这么大：130毫米太阳为中心，周围是45米半径的大行星地盘——恰如一个足球场那么大。最近的恒星在哪里？比邻星4.24光年，放入到上述模型中，已经远在4000公里以外！一般说来，就上述模型而言，至少距太阳2000公里范围以内，可能具有不少天体，他们都应认为属于太阳系。不过这2000公里空间相比于足球场来说，实在太大，而且幽暗，远在人们的视野之外，我们就不去管它吧。现在，连足球场也不要去管了，我们把注意力集中在太阳这130毫米“小球”附近居室大小（2.2米半径）范围以内：这里有地球与火星。

说出上述模型并不算难，然而按照上述模型实际比例画出太阳、地球与火星则是一件有点困难的操作：在5米见方的纸上画出130毫米的太阳应当不是问题，画出仅1.3毫米的地球则显得比较小，而火星更小……再说5米见方的大纸，并不好找。即便能找到，画好了也没办法上传到网上。所以我们还得抛开刚刚好不容易建立的成比例的模型，大致作图叙述地球与火星之间的故事。

按照上述模型实际比例画出太阳、地球与火星是一件有困难的操作：在5米见方的纸上画出130毫米的太阳应当不是问题，画出仅1.3毫米的地球则显得比较小，而火星更小……再说5米见方的大纸，并不好找。即便能找到，画好了也没办法上传到网上。所以我们还得抛开刚刚好不容易建立的成比例的模型，随手画图叙述地球与火星之间的故事。

图中的天体都被刻意加大了尺寸，按照距离的实际比例则太小无法画出

尽管上图的天体大小比例存在问题，但是太阳系的天体的一些基本特点还是表达出来了：太阳系的主要天体基本在一个平面上，行星以相同的方向的围绕太阳公转。如果要将一个物体从地球送到火星，首先要将这物体加速到第二宇宙速度（即脱离地球引力）以上；其次必须方向正确，物体脱离地球引力时飞行方向应当与地球公转运动的方向相同，这时物体运行的速度比地球要快，沿太阳公转轨道以外椭圆轨道运行，并在速度增量足够大时与火星轨道相切或者相交。如果方向不同……我们不妨考虑相反的情形：物体脱离地球引力场时，剩余的速度增量运动方向如果与地球公转运动方向相反，则物体的实际运行速度为地球公转速度与剩余速度增量之差，其运行轨道在地球公转轨道以内，它不是飞向火星，而是向金星轨道飞去，如果剩余的速度增量为恰好是29.8公里/秒，则抵消地球公转速度，这物体就直接落向太阳了。当然，29.8公里/秒是一个非常大的速度增量，如果不考虑借力大行星，估计需要8-9级化学火箭才能实现。如果——仅仅是如果，物体如果能够获得60公里/秒的速度增量，则可地球公转反方向上做一个在地球公转轨道以外的椭圆轨道与火星轨道相交。当然，这个“如果”太难了，估计需要一个17级左右的化学火箭，100公斤的有效载荷所需的推进剂估计已超过海水总量——这纯属天方夜谭了。

以上叙述说明，由于太阳引力场巨大影响，人类在太阳系中的航行尚绝无能力实现随心所欲地自由飞翔，必须要“顺势而为”。简而言之，人类在太阳系中的行星际航行，必须顺着行星公转方向才能实现。如果要将地球上的物体送到火星，那么必须选择一条顺着行星公转方向运行的摆渡轨道，这条轨道的近日点与地球公转轨道相切，远日点与火星公转轨道相切。地球公转周期365.2天（半周期，即半年为182.6天），火星公转周期687天（半周期为343.5天），在两者之间摆渡的轨道，内切地球公转轨道，外切火星公转轨道，周期也在两者之间，约为500天，半周期约为250天。

有了摆渡轨道，事情还没算完。要想将地球上的物体送到火星，该物体从地球发出，经过摆渡轨道半个周期运行到达火星轨道时，火星必须恰好就在附近，然后加速，进入火星轨道，如果火星不在附近，那就是“白跑一趟”，孤悬太空了。类似地，要想将火星物体送到地球，该物体从火星发出，经过摆渡轨道半周期运行到达地球轨道时，地球必须恰好运行到附近位置。轨道相切，目标天体恰好接近，这就是“霍姆”过渡轨道的含义了。

火星公转与地球公转到“最”接近的位置时称为“冲”，如果这两个天体恰好接近时恰好位于两个公转椭圆轨道最接近的位置，称为“大冲”……说得好像有点太绕了。暂时不去管很多细节，先做一个简化的模型，假定地球与火星都按照圆形轨道做模型，以便做一些基础计算。当然，这似乎极端不负责任，一不小心把开普勒与牛顿的伟大贡献全给忽略了，直接回到了500多年前的哥白尼的旗下。实在是罪过，罪过呀。

在简化模型下，我们根据地球与火星的公转周期，可以计算出地球与火星“冲”的时间。咋看上去，两个天体都在动，“冲”的周期不好弄。换个方向，如果从公转的角速度来看，问题就简单了：地球公转的平均角速度为W1，火星公转平均角速度为W2，两者的角速度差记为W，于是就有：

W=W1-W2 （1）

一年365.2日，我们可以算得地球公转平均角速度W1=0.986°/日，火星公转周期为687日，其平均角速度W2=0.524°/日，两者的平均角速度差则为W=0.4618°/日。角速度与频率相差2倍圆周率因子，且频率为周期的倒数，于是我们有：

（1/T）=(1/T1) - (1/T2)

式中T为冲的周期，T1为地球公转周期，T2为火星公转周期，运算整理后，冲周期为：

T = （T1 * T2）/(T2 - T1) （2）

代入T1=365.2天，T2=687天到上述公式，可算得“冲”的周期约为780天。比地球上两年还稍长一些。

接着，我们计算运行根据霍姆轨道计算从地球向火星发送载荷的恰当时间。要点在于，从地球发送的载荷用250天沿霍姆轨道运行半周到达火星轨道时，恰好“遇见”火星。火星的半周期为343.5天，这就要求载荷从地球上出发时，火星应在其轨道上超前地球（343.5天 - 250天）=94.5天。94.5天在火星（圆形近似）轨道是对应的超前张角为49.5°。这个角度因地球-火星公转角速度差逐步缩小，直到“冲”为止。如前所述，地球与火星公转的平均角速度差W=0.4618°/日，则不难算得从地球向火星发送载荷应当在“冲”之前约107日（49.5°/0.4618°/日）。

从地球发送的载荷用250天沿霍姆轨道运行半周到达火星轨道时，恰好“遇见”火星

用类似的方法可以计算从火星向地球发送载荷的恰当时间。地球的一年365.2天，250天比半年多出67.4天。67.4天在地球轨道是对应的张角为66.4°。地球与火星公转的平均角速度差W=0.4618°/日，由此可以算得从地球向火星发送载荷应当在“冲”之前约144天。

从火星用250天沿霍姆轨道返航到达地球轨道时，恰好“遇见”地球

有了上面叙述，我们就可以计算按照霍姆摆渡轨道进行火星探险的时间：一个“冲”的周期780日，出发在第一个“冲”之前107天，到达地球至少在第二个（第三个？）“冲”之后105天。三项相加，就得到一个正常的火星探险来回为1002日，记为1000日吧，如果对于双切椭圆轨道做出调整，并且利用本文没有细说的“大冲”，火星探险短周期也许可以缩短到900天左右，但是极难缩短到800天以内。

言归正传，载人火星火星的难点不仅仅在于从地球到火星的航程遥远，按照霍姆摆渡轨道单程需要耗时八个月，在空间航行5亿多公里，而且还在于到达火星后，不可短期内返航，必须经过约430日的等待，在返航霍姆返航轨道成立（下一次冲之前140多日）时候才能启动返航。

以上事实导致载人火星探险在两个层面上不可复制“阿波罗”登月模式：第一，难以如同阿波罗10号那样，安排不着陆的环绕火星航行；第二，难以按照肯尼迪“将人送到月球，并且安全返航”的方式安排火星着陆探险。

在长期探究基础上，我们认为，人类到达火星的途径在于：最初到达火星的人们，就要在火星上建立永久或者半永久的“火星探险营地”。这样一来，而最初到达火星的探险者，其实就是光荣的火星营地建设的“火星劳工”。

我们的研究还表明，“火星营地”应当选址在火星北极冰原的边缘，以便于就地取用冰与沙石，高效率地建造一种半埋在火星表面冻土密封的建筑。火星营地建设与运行能源来自于核（裂变）动力。作业机械则是从地球预先送到的指定地点，火星劳工经过简单组装单操作即可投入工程应用。“火星劳工”建成的火星营地，不仅是火星探险家的栖身之地，而且也是火星生活必需品（动植物）的生产之地，还是返航地球所需的设备器材的后勤支撑。这其中自然具有许多细节，不便在此用很短篇幅详细描述。

最初的火星营地是建在火星北极的边缘，还是深入腹地？

这样我们给出了火星探险基本路线图：人类第一次到达火星，着陆后随即在火星就地取材，建立巨大的密封冻土建筑，以此为后盾，生产生活资料，准备返航，如果遇到特殊情况，继续在营地中住着……

如前所述，我们不能以火星为目标进行试航与预演。然而，这是否可行，一定应当有所实际验证。我们不能让火星劳工在好几亿公里以外冒险，遭遇不测。

那么，如何验证呢？在月球上行吗？月球上没有水，月球的白昼温度也高，显然cz操作冻土建筑。细想想来，火星寒冷，火星极地更冷……然而，很幸运的是，寒冷是有限度的，它不可能比绝对零度还冷。在强大的核能面前，寒冷其实是宝贵的资源。由此可以看出，建立月球考察站对于建立火星冻土营地几乎毫无参考价值。火星卫星行吗？火星卫星与火星一样遥远，困难几乎更多，因此，火星卫星不可作为火星试航的目的地。

火星试航的目的地选址其实不难，它近在眼前：就是我们的地球。地球是人类的家园，同时也是一颗行星，与火星一样的太阳系大行星。火星探险试航可以作以下安排：在火星选中的营地位置后，在地球上建立高仿真的密封模拟环境，然后进行高仿真的火星探险模拟探险预演：从地球用火箭将火星探险家（火星劳工）送人太空（地球高轨道），模拟前往火星的八个月的飞行，到预定的时间后，在地球上的火星仿真环境基地附近着陆，然后送入预先建立的密封模拟环境，模拟启动火星核电站，再进行冻土营地建设工作，营地建成后，模拟作物种植，家禽养殖，模拟进行返航器材准备，并且模拟返航。地球重力强于火星，可以安排强化的火星营地建设操作。

模拟实验成功，万无一失以后，再开始火星探险的实际操作。

1997年，作者曾在“飞碟探索”杂志上刊登过一篇题为“火星探险新设想”的文章，介绍过上述思路。随后断断续续也进行过一些稍深入的探究。

就我个人看法，中国以后的火星车探测器应当向火星北极靠近，以详细勘查并比较选择未来的火星营地的位置。还应发回当地详细情况，以便于在地球上建立火星营地模拟环境。早在火星着陆器征名的时候，我提出的名字为“踏勘者一号”。命名为“祝融”也很好，同样可以为未来的载人火星探险踏勘、打前站。中国的空间站似用于载人火星航行试航。按照我们理解，基本在地球为目标的试航过程中，似即需要一种称之为“重力帐篷”系统。以保证“火星劳工”到达火星后能够具有良好的体力建立火星营地。

航天先驱齐奥尔科夫斯基曾经指出："地球是人类的摇篮，但人不能永远生活在摇篮里。他们不断地向外探寻着生存的空间：起初是小心翼翼地穿出大气层,然后就是征服整个太阳系。" 苏联人首创了人造地球卫星。美国人首次将人送到了月球。我们如果到达火星，并且在那里住下，这是一个伟大的主题，必将是人类文明进步历史中浓墨重彩的一笔。中国应当对于人类有较大的贡献。