萤火一号：中国深空探测第一步

《环球科学》2009年第8期 2009年10月，我国第一个火星探测器——萤火一号，将“乘坐”俄罗斯“天顶”火箭发射升空，经过10~11个月的漫长飞行之后抵达火星，开始为期一年的火星探测任务。这将是我国首次真正意义上的深空探测，不仅让我国跻身“火星俱乐部”，还有望解开火星干涸之谜。

2009年10月，由嫦娥一号在两年前创造的一项记录将被打破。2007年10月24日，随着长征三号甲运载火箭从西昌卫星发射中心顺利升空，嫦娥一号承载着中国人“奔月”的千年梦想开始了它为期一年半的月球之旅。这是中国第一次把自己的航天器送到了另一个自然天体的周围。现在，另一个航天器将接过嫦娥一号的“火炬”，为中国迈出深空探测的第一步（根据国际电信联盟《无线电规则》的定义，“深空”指的是距离地球大于、等于200万千米的宇宙空间）。

这就是“萤火一号”。火星在我国古代被称为“荧惑”，有“荧萤火光，离离乱惑”的意思。作为中国第一个火星探测器，萤火一号正是取其谐音而得名。同时，萤火一号也是中、俄航天合作项目“中国与俄罗斯联合开展火星探测计划”的重要组成部分。根据两国协议，双方决定在2009年对火星及其卫星火卫一进行联合探测，任务执行者分别是中方的萤火一号和俄方的“火卫一·土壤”探测器。两个探测器由中、俄双方各自研发制造，计划于2009年10月使用俄罗斯的“天顶”火箭从拜科努尔航天发射场一同发射。

萤火一号重110千克，长75厘米、宽75厘米、高60厘米。它此行的目的是探测火星的电离层、磁场以及周围的空间环境等。中俄联合火星探测副总设计师、上海卫星工程研究所研究员陈昌亚博士说，这将有助于“研究火星表面水的消失机制，揭示类地行星的空间环境演化特征”。从技术上讲，这无疑也是提升中国卫星有效载荷研制水平、增强行星际探测能力、演示未来深空探测关键技术的重要契机。

“同途殊归”的火星之路

在发射升空之后，萤火一号和“火卫一·土壤”探测器将被送入一条飞向火星的转移轨道。经过10~11个月的漫长飞行后，一起到达火星周围。接着，它们会一起围绕火星转动3圈，在这段“告别的舞蹈”之后，“火卫一·土壤”探测器就会和萤火一号分离。

随后“火卫一·土壤”会改变轨道，飞向火星的卫星火卫一。在火卫一的表面着陆，采集0.1~0.2千克的土壤样本之后，“火卫一·土壤”的返回舱再次点火，把样本送回地球。

萤火一号则将继续“留守”在自己的轨道上，对火星的空间环境进行为期1年的研究。萤火一号的工作轨道距离火星最近的地方只有800千米，最远则可以达到80,000千米，呈一个长椭圆形状。这条轨道与火星的赤道面几乎重合，两者夹角只有1°~5°。陈昌亚说，火星探测器一般不会选择赤道轨道，但由于跟俄罗斯的“火卫一·土壤”探测器捆绑在一起，而后者又必须要借助赤道轨道才能伺机着陆火卫一，因此萤火一号“别无选择”。

如此特殊的轨道使得萤火一号在服役期间将经历7次“长火影”的生死考验。所谓的“长火影”，是指萤火一号进入火星的阴影、并在其中持续运行的一段漫长而难熬的时期。当萤火一号进入火星的影子之后，温度会下降到-200℃左右，而“长火影”最长可以持续8.8个小时。以太阳能为主要能源的萤火一号在此期间将无法接收阳光，为了保存能量，探测器上的部分设备不得不进入休眠状态，以保持最低功耗，等“长火影”结束后再加热、加电唤醒。

2009年2月，萤火一号专门进行了模拟测试。在伸手不见五指、温度只有－260℃的实验环境中休眠8.8个小时之后，萤火一号上的16台单机均成功唤醒，且正常工作。“这证明我们的设计正确，实验进展很顺利，我的心情也轻松多了，” 陈昌亚回忆说。

尽管萤火一号“被迫”选择了这样一条高“风险”轨道，但很可能正是这样的轨道，保证了萤火一号能带给我们高“回报”。

从水到环境

所有研究火星的行星科学家都必须面对两件事情：一是有越来越多的证据显示火星上曾经遍布着水，二是现在的火星表面已经彻底干涸。

为了寻找火星上的水，美国国家航空航天局派出了大批火星远征军，从上个世纪60年代起，对火星进行了大规模的细致探测。现在仍然有两辆火星车和三个火星轨道飞行器正在对火星进行探测。这些协同作战的探测任务获得了出人意料的结果——火星的表面已经在水的作用下面目全非。虽然这一结论在科学上令人激动，但是它也使所有的探测计划都采取了跟着“水”走的策略，忽略了另一个、可能也是更重要的问题：为什么现在的火星是干燥的？

一种观点认为，这可能是火星大气不断流失之后的必然结果。火星地处小行星带边缘，外来天体的频繁撞击很容易将大量的气体抛离火星。同时，火星自身的磁场很弱，也难以阻止太阳风对火星大气的“掠夺”。再加上火星的引力也不够强，在阳光的照射下上层大气中的氢原子也可以轻易逃逸（详见《环球科学》2009年第 6期《地球会成为第二颗金星吗》一文）。这一切都让火星上的液态水无法长时间地存在下去。

但目前，这个问题更多地还是停留在理论阶段，其中尚有许多细节并不为人所知。为了更深入地探究这个问题，就必须对火星的电离层、磁场和空间环境进行全方位的研究。和在近圆轨道上只能对火星周围有限局部进行探测的探测器不同，萤火一号到火星距离的变化幅度可达100倍，能够对火星四周大范围内的空间环境状况进行探测。探测器上搭载的磁强计、电子分析仪、质子分析仪以及行星离子分析仪，能够重建出火星大气、磁场和太阳风的相互作用，为解答火星的干涸之谜提供有价值的线索。

深空技术演示

为了实现这些科学目标，就必须要对萤火一号进行严密监控，确定它的位置和速度。与“近在咫尺”的嫦娥一号不同，“远在天涯”的萤火一号不能再使用类似前者的测控方案。为此，萤火一号上携带了一个超稳定振荡器。

超稳定振荡器会以极其精准的频率发射无线电信号。当萤火一号在火星的引力场中运动的时候，多普勒效应（反映了萤火一号的速度）和引力红移效应（反映了萤火一号在引力场中的位置）就会改变地球上的观测者接收到的这一无线电信号的频率。由此就可以反推出萤火一号的位置和速度。这一过程被称为“单程开环多普勒测量”。

除了在测控上的应用之外，单程开环多普勒测量还能用于探测行星重力场、行星自转和章动、大气状况，乃至检验广义相对论效应。它的优点是不需要增加额外的载荷，缺点则是对时频技术要求极高。

另一个难点是，对于地面上的测控中心来说，由于火星距离地球太远，萤火一号的信号会变得十分微弱。为了在我国数量有限的射电望远镜基础上尽可能提高测控精度，位于上海、北京、昆明和乌鲁木齐的4台射电望远镜将联合组成中国甚长基线干涉仪网，接收萤火一号从火星发回的信号。

目前我国在深空探测领域刚刚起步，正处于美国20世纪80年代中期的水平。这次实战对于日后的深空探测无疑是重要的演练，也将为中国建立自己的深空探测网积累宝贵的经验。

真正的未来

从2007年6月中、俄正式签署合作协议，到2009年6月出厂，萤火一号的研制只用了23个月的时间。“一般卫星的设计至少要三年，火星探测器少说也得五年，我们加班加点工作，完全是把两年当作四五年来用，”陈昌亚自豪地说。

在整个过程中，萤火一号的研制团队攻克了深冷环境适应技术、活动部件及电子器件休眠－唤醒技术、姿控自主控制、深空测控技术、整星磁清洁控制技术等五项技术难关。在不到两年的时间里解决了这些难题，也创造了国内航天研究史的多项第一。

2009年10月，中国就将成为“火星俱乐部”的成员。但这次深空探测仍须依靠俄罗斯火箭技术的支持。对于中国何时能自主探测火星，北京大学地球与空间科学学院的焦维新教授认为，恐怕还要20年，这“不仅需要研制自己的运载火箭、还要有自己的深空探测网，提高探测器的跟踪通讯能力，这里有很多技术问题，需要一步步探索”。

萤火一号即将迈出中国深空探测的第一步，但也仅仅只是第一步而已。要想真正具备深空探测能力，中国航天人还有很长的路要走。