问天之旅 | 黄传会

2020年7月23日，在海南文昌发射的火星探测器天问一号，是我国第一次火星之旅，4亿公里的距离，一次实现“环绕、着陆和巡视”，在考验一个国家的综合实力，也在展现中国航天人的智慧和胆魄……

——题 记

引子

2025年元旦，天问一号从火星给地球的乡亲们发来一封信：

家乡的亲人们：

今天是2025年元旦，祝亲人们新年吉祥如意！

每逢佳节倍思亲，亲人们，一转眼，我来火星已经三年多了。

前些日子，亲人捎来的那些信息，让我激动不已：我国计划于2025年前后发射天问二号深空探测器，对近地小行星取样返回并探测主带彗星；在2030年前后实施天问三号和天问四号任务，实现火星采样返回和我国首次木星系探测。

中国航天发展的目标是到2030年，推动我国跻身世界航天强国前列；到2045年，推动我国全面建成世界航天强国。当我们攀上梦想的高峰之后，眺望更加遥远的未来——我们的未来是无限的可能。

向伟大祖国致以最崇高的敬礼！

天问一号

地球上的亲人们，尽管都知道这封“天外来信”是几位航天小伙子代拟的，但依然读得有滋有味、神采飞扬……

2020年7月23日，长征五号遥四运载火箭点火升空，实施我国首次火星探测任务。

“太空刹车”

茫茫苍穹，漫无边际。

他微微仰着头，眺望着深不可测的夜空，两眼盯得紧紧的。他仿佛看见一个银灰色的“小精灵”正在急速飞驰，它的航迹构成一道若隐若现的漂亮弧线。是天问一号？

蓦地，他笑了，如果肉眼都能看见天问一号，它还称天问一号？

多年来，每遇最紧张、压力最大的时刻，他总要找个地方抽支烟，待上几分钟，让自己冷静些、再冷静些。指挥中心大楼里不许抽烟，他悄悄来到大门外，点燃一支烟，抽了几口，又很快将它掐灭。然后，举头望向长空。

作为中国首次火星探测任务总设计师，从天问一号升空那刻起，张荣桥便无时无刻不在关注着那个“小精灵”。

天问一号在地火转移期间，完成了一次深空机动、四次中途修正等飞行阶段的规定动作，还实施了地月成像、深空自拍等展示性的自选动作，正一步步向“绕、着、巡”三大目标挺进。

天问一号飞行了整整202天。

2021年2月10日。

天问一号将于当天晚上与火星交会，通过捕获制动控制，进入火星环绕轨道，成为一颗人造火星卫星。天问一号探测器能否被火星引力成功捕获，“太空刹车”的机会只有一次。

清晨，环绕器团队队员们进入协作楼餐厅。

副总师朱新波端着牛奶、面包、菜蔬，坐在餐桌前，像变魔术似的，从口袋里掏出一只柿子和一只橙子摆在面前。

副总师朱庆华一脸疑惑：“‘波总’，这是什么讲究？”

测控数传主任师王民建看出了名堂：“柿子、橙子，寓意心想事成啊！”

朱新波笑着说：“祝大家心想事成！”

环绕器总指挥张玉花心想，面对如此巨大压力，这些年轻人心态不错啊，笑道：“大家付出这么多的心血，祝我们都心想事成！”

“各号注意，我是北京，即将实施第一次近火制动控制！”北京航天飞行控制中心总调度鲍硕发出指令。

“一小时准备！”

19点52分，3000牛发动机点火开始。

此时，火星与地球相距1.95亿公里，抵达火星的探测器，与地面通信单向延时约11分钟。点火开始的无线电信号以光速传送到地面，最快11分钟才能到达。

守在飞控电脑前的总体副主任师杜洋与GNC主任师聂钦博，全神贯注地监视着环绕器传回的信息。

“环绕器遥测捕获，数据送出！”

通信恢复，说明环绕器姿态正常、能源正常。

杜洋紧盯屏幕等待点火速度增量的跟踪测量结果，计算值与理论速值完美吻合。他两眼一亮，情不自禁轻声喊道：“成功捕获火星！”

“各号注意，我是北京！天问一号第一次近火控制圆满结束！”

“太空刹车”一举成功，飞控大厅里掌声一片。

2月12日，国家航天局发布天问一号制动捕获过程动态影像，火星大气层及表面形貌清晰可见。

2月24日，天问一号探测器成功实施第三次近火制动，进入周期两个火星日的火星停泊轨道后，对火星开展全球遥测探测，并对预选着陆区进行详查，探测分析地形地貌、开展沙尘天气监测等工作，为着陆火星做准备……

“去火星不是说走就能走的旅行”

一个民族，有一群仰望星空的人，他们才有希望。

人类宇航工程包括三大领域：应用卫星、载人航天和深空探测。深空探测是指，发射探测器达到月球和月球以远的空间开展的科学探测活动。

开展深空探测活动主要有三大目的：第一，重点围绕太阳系及其各天体起源与演化、地外生命信息探寻、空间环境对地球的影响等重大科学问题开展探索和研究。第二，带动技术发展，促进科学进步，培养锻炼科技人才，造福人类生活。第三，以深空探测激发探索精神，凝聚国家和民族意志，增进民族自信、自立、自强。

2000年11月22日，中国政府首次公布《中国的航天》白皮书，明确指出，中国将“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究”。

2003年10月15日，神舟五号载人飞船搭载航天员杨利伟进入太空。2007年10月24日，我国第一个月球探测器——嫦娥一号被送上太空，并于11月20日传回所拍摄的第1幅月面图像。

去火星，让五星红旗在火星上“飘扬”，是中国航天人期望已久的梦想。

2010年8月，徐匡迪、孙家栋、王礼恒、沈荣骏、王永志、张履谦、戚发轫、龙乐豪八位院士致信中央领导，建议有关主管部门尽快组织开展载人登月和深空探测工程综合论证。

2011年初，张荣桥被任命为深空探测论证工程总设计师。张荣桥1990年入职航天队伍，曾参加过嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号工程的研制，二十多年中国航天快速发展，为他提供了施展才华的巨大平台。

由五十余名航天工程和科学领域专家组成的论证组，开展《深空探测工程实施方案》论证。

去行星际、去火星，如何去？

张荣桥告诉我：“一开始提出的是风险相对较小的环绕方案，没有‘着陆’和‘巡视’，但大家心有不甘。我们起步晚，但综合考虑载人航天、探月工程已经奠定了一定的技术和设备设施基础，尤其是长征五号运载火箭提供了必备的发射能力，大家达成共识，认为踮踮脚、伸伸手，一步实现‘绕、着、巡’的风险可控，形成了我国火星探测 ‘一步实现绕、着、巡，二步完成采样回’的总体发展途径。”

张荣桥说：“一步实现‘绕、着、巡’，这在国际上是第一次，有人质疑我们有些冒进、胆子太大。今天回头看，这条技术路线的选择是非常正确的。它节省了经费，特别是技术上实现跨越发展，在较短时间内使我国在行星探测领域跨入世界先进行列。”

2016年1月11日，国家正式批准首次火星探测任务立项。国防科工局任命中国首次火星探测任务工程总指挥张克俭、总设计师张荣桥。

张荣桥有句名言：“去火星不是说走就能走的旅行。”

受天体运行规律的限制，从地球发射探测器到达火星，在工程实施层面，每隔26个月才有一次机会，如果错过这个发射窗口，就得再等上26个月。考虑到必要的研制周期，最近的发射窗口是2020年。

2020年4月24日，中国行星探测工程被命名为“天问工程”，首次火星探测任务被命名为天问一号。

在2020年的发射窗口发射天问一号，2021年抵达火星。

2021年是伟大的中国共产党成立100周年——天问一号将成为一次标志性任务，向党的百年华诞献礼！

含泪奔跑的强者

天问一号探测器有15万个电子元器件，火箭有15万个组件，还有发射场、远洋测量船和各个测控站，在发射的那一刻，必须保证所有的设备设施状态良好，所有的操作精准到位，所有的气象条件满足要求。在奔火途中、降火过程中，任何一个元器件都不能出故障，所有系统必须正常运行。

所以说，航天工程是“100-1=0”的工程，环环相扣，步步惊心。

“火箭运力有多大，航天舞台就有多大。”这是航天界公认的铁律。

迈向更深的太空，离不开火箭运载能力的提升，发展新一代运载火箭成为中国航天的必然选择。长征五号高轨运载达14吨，而在此之前，我国上一代火箭高轨最大运载能力只有5.5吨。长征五号实现我国火箭从中型到大型的跨代发展，运载能力和总体技术水平居国际同级别火箭前列。

然而，出师不利！

2017年7月2日19时23分，长征五号遥二火箭在文昌航天发射场发射，火箭飞行出现异常，发射任务失利。

长五遥二失利，不仅仅是一个型号的失利，它将对嫦娥工程、首次火星探测任务产生直接的影响。

天问一号像是一个亟待远行的乘客，接送它的汽车忽然间出了故障，何时能够启程似乎变得充满变数。有网友称：中国航天进入“至暗时刻”。

此时，距离天问一号发射只剩下不到三年时间。

“归零！”

“归零”是中国航天系统一种特有的故障分析纠正模式。指系统内某一环节出现问题时，需从第一步到最后一步逐一溯源，抛弃主观臆断，重新一一验证，直至问题完全解决。具体归纳为：定位准确，机理清楚，问题复现，措施有效，举一反三。

长征五号——这枚中国最大火箭“归零”，整整用了908天！

这908天，对于长征五号火箭总指挥王珏和总设计师李东来说，称得上是惊涛骇浪、惊心动魄……

2017年10月2日，长五一级YF-77氢氧发动机故障定位工作完成；经过半年的改进，2018年4月，长五火箭完成归零评审。其间，YF-77发动机连续经历了13次试车考核，均获成功。

2018年11月30日，位于北京郊区的试车台传来令人震惊的消息：改进后的YF-77发动机在进行第14次验证试车时，再次出现故障征兆。

这台故障发动机同批次产品，已经有两台安装在即将出厂的长五遥三火箭上——而这枚火箭是嫦娥五号上天前的最后一次飞行。

YF-77发动机主任师何昆说：“遇到这种情况，没有什么捷径可行，只有老老实实从头开始。于是，又开展了一系列繁琐的理论计算，对发动机的结构进行强化，确保发动机在火箭高温、强震动的恶劣飞行工况时，能够保持状态。”

随后，发动机又经历了两次试车考核，参数正常，大家松了口气。

2019年4月4日，试验合格的发动机将全部安装上箭。

此时，北京11所对发动机动态特征的分析能力，也在紧张归零的一次次实战中有了巨大的提高。设计师手中如换了一个更高倍数的放大镜，让原来看不到的振动细节凸显了出来，而这很可能是新发现故障隐患的根源所在。

正在外地出差的王珏连夜赶回北京，神色凝重，他对大家说：“敌人非常狡猾，它藏在暗处，说不准什么时候就要咬你一口！”

技术人员对所有批次的发动机采用新手段一一检测，结果发现在同一个位置，多台发动机都有同样故障的隐患。

王珏、李东心急如焚，他们陷入两难境地：一边是亟待破解的“发动机之困”；一边是无法更改的发射窗口。

6月24日，李明华临危受命，出任长五遥三火箭的第一总指挥。一院是长五火箭研制的责任单位，长五迟迟不能交付，各种压力迎面而来。

李明华把自己的工作总结为“把方向、出方法、调资源”，急需带领团队找到解决问题的方法。

李明华在全院动员会上发出壮士断腕、破釜沉舟般的号令：“现在我们面临着的是背水一战！前进者生，后退者死！这个决定是我做的，出了问题我负责；谁不按照这个决定去做，谁负责！”

一位年轻设计师告诉我：“这是战前动员令，我们必须为之冲锋陷阵，哪怕前面是刀山火海！”

此刻，掰着手指算，距离发射窗口，时间不足5个月。

还有N道工序需要完成——尽快通过发动机结构设计优化，将发动机运至天津上箭装配、检测，将火箭“打包运输”……

这同时又是一场联合大攻关，全国大协作。中国科学院、国防科技大学、清华大学、北京大学等高等院校，航天科技集团、航天科工集团、航天航空的各研究院、所，二十多个单位的数百名专家学者参与，共同开展归零分析，联合进行课题研究。先后组织了百余次故障分析会及专题会。人数最多的一次，25位院士和5位大学教授作为特邀专家来到现场，听取发动机研制工作情况，提出意见建议。

在长五火箭研制过程中，航天科技集团5个研究院、43个厂所、1.6万多人承担了相关工作；全国冶金、化工、电子、交通运输等行业数百家单位参与相关配套研制工作。这充分体现出各行业大力协同、密切配合、攻坚克难的精神。

2019年7月31日，改进后的YF-77发动机，再次被送上试车台。

“开始！”随着指挥员口令，一阵轰鸣，一股淡蓝色的烈焰喷薄而出，大地为之震动。

成功了！

908天归零！

908天突出重围、浴火重生！

9月26日，新的YF-77发动机如期上箭装配。

10月22日，装有长五的两艘远望号从天津港出发。

2019年12月27日，在历经908天炼狱般的磨砺后，长征五号遥三火箭直插苍穹，“王者归来”，气壮山河！

李明华感慨万分地说：“强者不是没有眼泪，而是含泪奔跑！”

李东豪情满怀，赋词抒怀：

青玉案·再出发

怎堪回首说断箭，泪满面，肝肠断。风雨寒暑十三年，一夕霜过，江东父老，愧疚无颜见。

枕戈饮胆九百天，万般磨砺难尽言。今夜可敢片刻闲？硝烟才散，举眸广寒，何日月又圆？

生命线

星球车历来是星球探测中的明星。由于工作环境恶劣、工作模式复杂、资源约束严格等原因，火星车研制极具挑战性。

天问一号探测器总指挥赫荣伟对探测器总师孙泽洲说：“探火工程最后任务是靠祝融号火星车完成的，咱们必须造出一辆既能吃苦又会干活的火星车来。”

孙泽洲1992年从南京航空航天大学毕业，曾经是嫦娥一号卫星副总师，嫦娥三号、嫦娥四号探测器总师。他睿智沉稳，外表看似静若止水，心中却是激情似火。孙泽洲回答说：“赫总，火星车绝不会拖工程后腿。”

火星表面，太阳光强度只有地球的百分之四十。如要满足祝融号的能源需求，太阳翼的面积必须达到4平方米。设计师设计了屋顶方案、折展方案、太阳毯方案……有的技术不成熟，有的太重，被一一推翻。

深夜，火星车总体主任师陈百超辗转反侧，老在琢磨着“太阳翼”……他索性打开电视机，荧屏里植物园百花盛开，像是一个花的海洋。镜头慢慢拉近，几只蝴蝶在花朵上蹁跹起舞……他两眼一亮：“就是它了，蝴蝶！”

陈百超将蝴蝶翅膀状的太阳翼在电脑里展示出来。这个构型完美地解决了太阳翼展开后行走包络干涉问题，左右两片太阳翼还能实现对日跟踪。

祝融号太阳翼是深蓝色的，展开后如同蝴蝶的四只翅膀。探测器副总师贾阳说它很像中南美洲的一种蓝闪蝶。

“蓝闪蝶”展翅飞翔了，火星车热控系统的研制却遇到瓶颈。

热控主任师向艳超告诉我，火星表面温度的变化很大，着陆区中午最高温度零下3摄氏度，黎明前最低温度零下103度。如何保证火星车设备温度水平，成为一道难题。

借用火星上的风？利用着陆器上没用完的燃料？带只小锅炉上火星……一条条路都被堵死。向艳超意识到，解决火星车的热能问题必须创新。光能转换成电能，效率只有30%；如果直接转化成热能，效率会怎样？

向艳超家里的热水器坏了。他在看《热水器使用说明书》时，忽然，一个灵感在脑里闪现：仿照热水器原理，在火星车上安装一个集热装置，将太阳能存储起来，需要时再供火星车使用。

团队在火星车顶部，安装了两台集热窗，有点像双筒望远镜，它直接吸收太阳能，转化成热能。

集热窗要求太阳光只进不出，这样才能留住热量。其透光口必须具有太阳光谱能量高透过率、远红外光谱低透过率的特征。团队开始寻找符合这种特殊要求的透光口材料，石英玻璃、钢化玻璃、有机玻璃，都太重。文献上介绍一种聚酰亚胺透明膜，韧性强，厚度只有几十微米，符合要求。但国内找不到这种产品，也没有生产厂家。

联系上南方一家民营企业，对方听说是探测火星需要的一种材料，暂停其他产品生产，几次调试，终于生产出性能满足要求的聚酰亚胺薄膜，两片膜重量不到一百克。

祝融号火星车初样诞生了。这个小精灵长得有些像神话传说中的哪吒：虎头虎脑，两只眼睛滴溜溜转，脚下还蹬着六个风火轮。

张荣桥和工程几位副总师，赫荣伟、孙泽洲、贾阳等工程“两总”都来了，大家围在四周，看不够，乐不够。

孙泽洲感慨地说：“这是咱们中国人自己造的第一辆火星车，最让人满意的是，车上重要的部组件，都闪烁着创新精神。”

创新，永远是航天工程的生命线！

祝融号火星车

着陆火星是天问一号任务难度最大的环节，其中最难的，又是降落伞减速技术。

探测器进入火星着陆轨道，获得“降火”指令后，环绕器与着陆巡视器分离，着陆巡视器借助火星大气阻力，下降速度减掉90%左右。紧接着要打开降落伞，进行降落伞减速，关键是弹伞开伞环节，往往存在伞打不开、开伞过程摆动过大、伞张满瞬间冲击过大等问题。

降落伞的强度试验，是由大运载力的直升机将重达6吨的模拟装置从高空投放，模拟降落伞在火星大气下超音速飞行过程中开伞瞬间的受力环境，以验证降落伞的强度。

2018年6月28日，强度试验在大兴安岭某地进行。

中午，直升机准时起飞。

火星着陆巡视器降落伞主任师李健和设计师张兴宇在预定投放点跟踪观察。

到了预定投放点上空，操作手打开按钮，机舱下悬挂着的模拟装置，瞬间直落而下。两秒钟后降落伞顺利展开。万没料到的是，瞬间全部展开的降落伞，突然与模拟装置分离了。

拿着望远镜在观察的李健，心里一咯噔：“完了！”

守候在降落场的孙泽洲，神色沉重。飞机返航后，他对李健说：“降落伞事关探测器着陆成败，不允许有丝毫差错，否则将拖整个工程的后腿。”

经过一番复杂艰难的“归零”，找到症结：问题出在降落伞伞绳和连接带的连接环节。设计时对超音速下降落伞张开瞬间绳系受力状态考虑不足，伞绳的一个连接部位强度设计不够。

李健带领团队进行了多轮方案改进，经过地面几百次验证试验，最终彻底解决了这一问题。

7月至8月，试验队连续进行4种工况下新研发的降落伞强度空投试验，均达到设计要求。

一朵红白相间的绚丽伞花，即将在遥远的火星上空绽放！

火星，你好

2021年5月15日，天问一号迎来最后一场“大考”——着陆火星。

飞控大厅灯光通明，各路兵马齐备。大厅前方的大屏幕上，不同图像和各种数据闪闪烁烁。

“各号注意，我是北京！”

“着陆巡视器转入进入模式！”

天问一号环绕器和着陆巡视器先执行降低近火点高度的变轨，约3小时后完成两器分离，着陆巡视器以25马赫的高速进入火星大气层。那一刻，直至着陆火星，被称为“黑色9分钟”。

天问一号整个着陆过程需要融合气动外形、降落伞、发动机反推、着陆缓冲等多项技术才能实施软着陆。一招出错，全盘皆输。

北京总调度的指令下达了：

“开始降轨！”

环绕器GNC团队核对完数据后，报告：“降轨正常，精度满足分离要求。”

此时，火星距离地球3.2亿千米，无线电信号一来一往35分钟，地面无法实时遥控，所有动作触发条件的测量、判断，所有动作的执行，包括最后阶段通过拍摄着陆区的图像并选择满足条件的着陆点，均为自主测量、自主判断、自主控制。

飞控大厅里，所有“火星人”都在等待！

10年筹划，6年奋斗，大家翘首期待即将到来的这一刻！

天问一号直接参与研制工作的研究院、研究所一级的单位数十个，配合参与这项工程的单位数百个，直接或间接参与的科研工作者数万人。所有人的付出，都将体现在即将到来的这一刻！

我曾经问过张荣桥：“探测器着陆前的那一刻，您在想些什么？”

张荣桥脱口而出：“那时候，哪有工夫想啊。”

“或者说您的心态？”

张荣桥说：“既期待，又担心。”

“一种什么样的期待？”

“中国首次火星探测任务，起步虽晚，但起点高、跨越大。从立项伊始就瞄准世界先进水平，一次发射，完成‘环绕、着陆、巡视探测’三大任务。如果这一目标能够顺利实现，我国将成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。记得天问一号发射后，一位指挥员对我说：‘从来没有像今天这样渴望成功’。”

“为什么担心？”

“航天器设计的一般逻辑，先要了解去的环境，通过各种技术、方法和措施来保障航天器适应这个环境；而火星探测恰恰是去一个我们并不了解的环境。尽管做了很多试验，但仍然可能存在着我们不知道‘哪些东西不知道’。特别是着陆最后九分钟，过程复杂，动作繁多，不允许有丝毫差错。此前世界火星着陆任务共进行20次，只成功8次。我们虽然有百分之百的信心，但免不了还有一些担心。”

张荣桥想了想，又说：“黄老师，您写过共和国功勋孙家栋，孙老常说：‘国家需要，我就去做。’自古至今，总有一部分人，国家交给他们的担子要比别人重一些，我们航天人一直勇于为国家挑重担。”

航天人坚信，作为个体的自身命运与一个更大的整体、更永恒的价值联系在一起，是一种有信仰的人生境界。

张荣桥的眼睛不大，算不上“炯炯有神”，但此时，他那副镜片后面，透出了一种叱咤风云的勇气和稳坐泰山的淡定。

7时18分。

“我是北京”发布：

“各号注意，巡视器落火正常，后续工作按正常飞控计划实施！”

此时，天问一号探测器4条着陆腿与火星表面第一次亲密接触，着陆巡视器稳稳地落在火星乌托邦平原南部的预定着陆区。

5月22日10时40分，祝融号火星车驶离着陆平台。车轮慢慢向前滚动，在火星表面上印下一个个醒目的“中”字……

中国首次问天之旅获得高分，成为世界上第二个成功着陆火星并开展巡视探测的国家！

宇宙浩瀚无比，探索永无止境。仰望星空，脚踏实地，中国航天人将向着更加宏伟的目标，进发！