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——专访中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥
今年5月15日，中国首次火星探测任务天问一号探测器在火星成功着陆。如今，祝融号火星车已运行超过210个火星日，环绕器在轨510多个火星日……从发射、环绕到着陆、巡视，天问一号的一举一动，备受世界关注。
近日，英国《自然》杂志公布了2021年度十大人物榜单，聚焦在今年的重大科学事件中占有一席之地的人物，中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥成为唯一入选的中国人。
火星车的工作状态如何？火星探测将有哪些新发现？中国何时能从火星带回土壤？针对火星和行星探测的热点话题，本报记者近日对张荣桥进行了专访。
火星车实施拓展性巡视探测
2月10日，实施近火制动，成功环绕火星；5月15日，在预选着陆区完成教科书式的精准着陆；5月22日，火星车驶离着陆平台，踏上火星大地进行巡视探测，开启火星“探险之旅”——天问一号实现了一次任务完成环绕、着陆、巡视的三大目标，迈出了中国行星探测征程的重要一步。
“目前，天问一号环绕器和祝融号火星车的状态良好。”张荣桥说，到今年8月15日，祝融号火星车完成了既定的90个火星日的科学探测任务。在此期间，位于火星轨道的环绕器主要为火星车进行中继通信，将火星车巡视探测获取的科学数据传回地球。
张荣桥介绍，在完成了90个火星日巡视探测任务之后，火星车度过了日凌阶段——太阳运行至地球和火星中间，受太阳电磁辐射干扰，器地通信不稳定。按照既定预案，火星车在日凌期间暂停科学工作，定时自检自测。
日凌结束后，祝融号火星车继续向乌托邦平原南部——据科学家初步认为的古海洋与陆地交界地带行驶，开展拓展性巡视探测任务，探寻火星起源与演化之谜的线索。而环绕器则进行了轨道的进一步优化调整，在开展火星环绕探测的同时，兼顾火星车的中继通信。
“相对来讲，在拓展任务阶段，火星车行驶的频次要比原先少一些。”张荣桥说，“每个月我们都要组织相关人员对下一个月的运行计划进行研究确定，负责日常飞控管理的小组，每天要制定运行策略并实施控制和监视运行状态。”
“比如着陆区的沙丘、岩石等典型地形地貌，火星车要不要停下来做详细观测？火星车行驶中遇到沟坎等复杂地形，要不要绕行？针对这些问题，大家共同商量、制定计划。”张荣桥说。
巡视探测期间，祝融号火星车高效运行，获取了巡视区域地形地貌影像、行驶路径磁场信息和地下剖面结构信息、岩石、沙丘等典型地物的成分信息、温度、气压、风向、风速气象信息等第一手科学数据。张荣桥说，科学家认为，祝融号火星车的着陆地点有更多科学发现的机会，通过研究可以增加人类对火星的认知。
自今年8月以来，中国国家航天局已发布五批天问一号科学探测数据。到目前为止，科学家通过对探测数据的研究，陆续发布了一些研究成果。
“我们希望科学家有更充裕的时间，充分挖掘科学探测数据中的科学信息。明年，我们计划召开首次火星探测任务科学研究成果交流会，相信其中会有中国人自己的原创成果。”张荣桥说。
中国行星探测工程开放合作
日前，中国国家航天局与欧洲航天局(欧空局)宣布，天问一号与欧空局“火星快车”任务团队合作，于11月开展了祝融号火星车与“火星快车”轨道器在轨中继通信试验，取得圆满成功。
张荣桥说，此次合作双方团队“一拍即合”。试验过程中，祝融号火星车向“火星快车”发送测试数据，“火星快车”接收数据后转发给欧方，再由欧方转发至北京航天飞行控制中心，中方技术团队解译后，判读数据的正确性。
“通过这次合作，验证了欧方轨道器与我们的火星车进行中继通信的可行性，我们也验证了相关设计标准与国外设备的兼容性。”张荣桥说，后续双方还将进一步开展科学数据中继通信合作。
在天问一号任务实施过程中，中国与有关国家和国际组织在测控支持、载荷研制、科学研究等方面开展了卓有成效的合作，共同为增进人类对宇宙奥秘的认知贡献智慧和力量。
张荣桥举例说，在天问一号探测器研制过程中，中国与欧空局就火星的环境模型数据进行了技术交流；今年10月日凌期间，中国与欧洲和澳大利亚天文研究单位联合，利用分布在世界各地10多处的射电望远镜开展了太阳掩星探测，通过分析电磁波信号受太阳风干扰的情况，研究太阳风内禀湍流引起的行星际电子密度涨落等科学问题；此外，中国还与美国国家航空航天局、欧空局开展了火星探测器轨道数据交换合作等。
“中国行星探测工程是开放的。”张荣桥说，“我们欢迎有意愿的国家在各个层级上开展合作。”
张荣桥表示，火星探测数据研究是接下来的合作重点。“我们的数据非常丰富，开展合作的空间很大。按照中国国家航天局的相关管理规定，探测数据届时会向全世界的科学家提供。各国科学家可通过其主管部门，与中国国家航天局联系交流合作事宜。”
2030年前后实施火星取样返回
按照中国行星探测工程的整体规划，到2030年前后，中国将以火星探测为主线，开展小行星探测、火星取样返回和木星系探测等任务。
“目前小行星探测任务已进入初样研制阶段，我们将努力按照既定计划发射实施。”张荣桥说，小行星探测任务除了科学研究的意义之外，也将通过技术的递进式发展，为后续火星取样返回验证相关技术。
“火星取样返回对全世界来说都是一个技术挑战，目前还没有国家做得到。”张荣桥说。
人类已经实现了登月，嫦娥五号在去年完成了月球采样返回的壮举，从火星取样返回为什么这么难？张荣桥直言，从火星取样返回与月球有天壤之别。
难点之一是“逃逸速度”——火星的“个头”比月球大得多，从火星上起飞返回需要更大的逃逸速度，这就要求火箭有更强的动力。
难点之二是“大气”——与月球的真空环境不同，火星表面存在大气，从火星表面起飞就像在地球上发射火箭一样，需要一整套适应火星大气环境的飞行产品及其控制系统。再加上往返火星路途遥远，火星环境恶劣，都增加了取样返回的难度。
“诸多难点最终都集中在一个课题，就是火星表面的起飞。这涉及到燃料低温储存技术、动力技术、控制技术等。我们准备利用两到三年的时间，把这些关键技术解决掉。”张荣桥说。
木星系探测也是中国行星探测的目标之一。张荣桥说，到目前为止，人类对木星系的认知尚浅、探测有限，木星系孕育着大量科学新发现的机会。
“木星距离地球非常遥远、环境极其恶劣。到达木星附近，它的太阳光照强度只有地球附近的3%。如何获取能源、抵御和适应极端的空间环境，这都是要努力解决的难题。”张荣桥说，从月球到火星，再往外走向木星，这是中国行星探测走向深空的必然趋势，也将带动相关技术的发展。
一步实现“绕着巡”展现担当精神
天问一号探测器成功着陆火星的那一刻，张荣桥激动落泪的场景令很多人动容。回想起当时的感受，张荣桥说，又甜又咸的眼泪中，有喜极而泣，也有如释重负。
“为了这项任务，我们坚持奋斗了10年，兑现了对国家的承诺。一次实现‘绕着巡’，成功来之不易。”张荣桥说。
“去火星，中国人是第一次。当我们瞄准这个任务的时候，也在犹豫和思考，到底该怎么去？”张荣桥说，最初设计火星探测方案时，也想采取与中国探月工程“绕落回”三步走类似的步骤。
“但我们还是不甘心。”张荣桥直言，一方面，中国已经成功实现了载人航天和探月工程，为火星探测奠定了技术和能力基础；另一方面，中国火星探测起步较晚，中国科学家对火星研究需求迫切，如果还是四平八稳，就不能满足发展的需要。
“我们要有担当精神，有承担风险的勇气。”张荣桥说，“通过努力，一次任务实现对火星‘绕着巡’，风险可控。”
风险可控绝不意味着没有风险。历史上，火星着陆巡视任务的成功率仅为40%多一点。面对巨大挑战，中国火星探测任务在方案设计初就做了全面详实的任务实施计划，对技术方案进行反复设计确认，并开展了大量地面试验验证工作。
“很多人说，中国火星探测任务圆满成功太容易。”张荣桥说，“其实非常不容易，靓丽的成功背后一定有艰难曲折。”
张荣桥说，就像运动员一样，赛场上完美的动作背后是反复练习中的失误、摔倒，火星探测任务在产品的设计、试验等环节也出现过反复甚至是错误。“我们在摔打中得到了经验，提高了能力和水平，确保了最终的任务成功。”
“现在来看，一步实现‘绕着巡’的路子是完全正确的——第一，技术上实现了跨越，我们成为第二个具备火星巡视探测能力的国家，在行星探测领域进入到国际先进行列。第二，节省了经费。更重要的是，火星探测长了国人的底气，为后续实现火星表面采样返回坚定了信心。”张荣桥说。
“首次火星探测任务成功，是上千家研制单位和数万名科技工作者共同努力取得的，汇成一句话，就是中国力量。”回顾火星探测任务，张荣桥感慨道，“从事航天事业需要一种情怀。看到我们所从事的事业得到国家和人民的认同，为国家发展添砖加瓦，我们感到非常荣幸。”
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