走不走，移民火星

作者 | 南风窗主笔 荣智慧

今天（7月23日），中国火星探测器“天问一号”在文昌航天发射场发射升空，成功进入预定轨道。这是我国火星探测任务的首次实施，也是中国航天的新起点。“天问一号”计划完成“绕、落、巡”三阶段探测任务，如果顺利的话，预计在明年二月份抵达火星。

屈原在《天问》的一开头便说：遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？这也是“天问一号”渴望知道的东西。

今年10月底，中国还将发射“嫦娥五号”探测器，采集月球样品并带回地球。

2020年，中国开启太空时代已有五十周年。如果说“东方红”象征着太空事业零的突破，那么“天问”则意味着不懈探索真理的决心。

准  备

相对于月球探测，中国火星探测的步子不算特别大。毕竟火星距离更远，探测的难度要比月球探测的难度高很多。

探月工程已经发射了一系列的“嫦娥”探测器，但火星探测计划仅在2011年发射了一枚“萤火一号”探测器。“萤火一号”当时搭载于俄罗斯联邦航天局天顶-2SB运载火箭，预定任务是进入火星轨道进行探测。然而，俄方发射失利，“萤火一号”最终于2012年1月15日再入地球大气层，并坠毁在太平洋海域。

中国火星探测计划分为“绕”“落”“巡”“回”四个阶段：轨道器环绕火星进行探测——绕；着陆器软着陆于火星表面进行固定位置的地面探测——落；巡视器在火星表面进行不固定位置的巡视探测——巡；以及火星表面土壤岩石的采样返回器——回。

7月17日在中国文昌航天发射场拍摄的长征五号遥四运载火箭

本来打算让“萤火一号”完成“绕”的任务，“萤火二号”完成“落”的任务。但是“萤火一号”发射失败，任务的执行方式有所调整。中国决定使用国产的长征系列运载火箭来发射深空探测器，不再借助别人的运载器。

2014年时，那时还没有名字的“天问一号”亮相第十届中国珠海航展。虽然还没有名字，但是它的任务已经拟定：2020年7月至8月间，在地火转移轨道发射窗口择机发射。任务由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成，并一举完成绕、落、巡前三个步骤。在正式名称确定前，它的暂用名是“火星一号”。

2020年4月24日，该任务最终命名为“天问一号”。比起“萤火”谐音“荧惑”，取典于屈原的“天问”显得深邃、辽阔得多。当时巡视器（火星车）的初步名称征集活动也已经完成，包括“赤兔”在内的16个名称入围。

7月下旬，“天问一号”已运抵海南文昌发射场，长征五号遥四运载火箭也于7月16日垂直转运至发射区，中国首次自主火星探测任务蓄势待发。

7月17日，长征五号遥四运载火箭在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后，垂直转运至发射区

这一段日子属于发射窗口期，7月20日阿联酋“希望号”火星探测器搭乘三菱重工H-IIA火箭，已经从日本种子岛航天中心发射升空。“天问一号”和美国“毅力号”火星探测器随后也将出发。

“窗口期”的意思是，由于火星绕日公转周期（687天）与地球不同，地球和火星间距存在椭圆形的周期性变化，最远可达4亿公里，近的话5000万公里，而这个直线距离最短的机会每26个月出现一次——也叫“火星冲日”。

为了节省极其宝贵的燃料，前往火星的探测器通常采用“霍曼轨道”来进行从地球公转轨道到火星公转轨道的“转移”。霍曼轨道指的是，探测器以大于第二宇宙速度的速度从地球发射，顺着地球公转方向脱离地球引力，进入太阳引力的影响范围之内，此时探测器以太阳为近焦点做椭圆轨道运动。

也就是说，探测器是从椭圆轨道近焦点脱离地球的，如果给定探测器的速度，那么探测器就能在椭圆轨道的远日点，在火星公转轨道的交点处与火星“相遇”——总之是很节能的了。

“火星任务”

美国的火星探测车“好奇号”，已经在火星上转悠8年了。它在2013年时传回数据，说没有探测到大气甲烷，科学家因此总结排出甲烷的微生物生存的概率很低，火星不太可能存在生命。2015年时，它探测到火星土壤内部有丰富的水分，显示有充足的水资源给“地球移民”使用。

埃隆·马斯克早已放出“殖民火星”的宏伟计划，声称2050年之前会将100万人送上火星。有人问没钱买“船票”怎么办，他回答没有钱去火星的人会得到贷款，“也许你可以用改造火星来偿还SpaceX的贷款”。

美国东部时间5月30日15点22分，SpaceX猎鹰9号带着载人龙飞船准时发射。

先行一步的阿联酋的"希望号"，目的是深入探索火星大气层，找到氧气及氢气从火星上消失的原因。

按照计划，“天问一号”的五大核心科学目标是探查火星地貌和地质构造；分析火星土壤特征，寻找水冰分布；分析火星表面物质成分；调查火星大气与气候；探测火星电磁场、重力场等物理场。

“天问一号”总重量约5吨，由轨道环绕器、着陆器、巡视器组成，还装载了13个有效载荷。在此次的任务中，有效载荷指的是任务所使用的设备，例如遥感相机、探地雷达、火星地表磁场探测器和气候探测仪。 

巡视器重量为240千克，由太阳能板供电。巡视器会派探地雷达探索地面，进行土壤化学分析并寻找生物分子及生物信号。

国家国防科工局探月与航天工程中心发布的中国第一个火星探测器和火星车外观设计构型图

当然在火星登陆的风险是最高的，火星探测器的登陆成功率大约只有50%。有人说，探测器进入火星轨道的难度好比从巴黎打一个高尔夫球，正好落到东京的某个球洞里。特别是从下降到登陆的7分钟，也被称为“恐怖7分钟”，有好几个棘手的问题摆在前面。

首先，通信延时过长，地球这边不好“控制”。从地球发送到火星的无线电信号有延时，单程需要20分钟左右，一旦出了故障，可能地球还来不及反应，那边就已经失落在茫茫太空。

其次，路途遥远，轨道要进行多次修正。如果火星探测器在地火转移轨道近地点有1米/秒的速度误差或1千米的高度误差，飞到火星附近时都将产生10万千米的位置误差。

另外，火星环境复杂、气候恶劣。火星的大气密度只有地球大气密度的1%，辐射严重。火星上的沙尘暴也很大，有时是地球上12级台风的6倍，视线极差。

国际合作

“天问一号”少不了与国际伙伴的通力合作。除了俄罗斯外，中国也与奥地利空间研究所（IWF）等机构合作。奥地利空间研究所为探测器的磁力计作出了贡献，协助校准了飞行仪。

同时，联合国外层空间事务厅（UNOV）、国际宇航大会、欧洲空间局、亚太空间合作组织、巴西、法国、巴基斯坦和俄罗斯，均在“天问一号”发射前向中国发出祝贺视频或贺电，并表达深化合作的愿望。

印度外太空研究组织2014年9月30日发布的印度火星探测器拍摄到的火星照片

火星对于地球上的国家来说，是一颗开放的星球。

目前，在火星轨道上工作的探测器有美国的“火星勘测”轨道器、“火星大气与挥发物演变”、2颗“火星立方1号”，欧洲的“火星快车”和“微量气体”轨道器，印度的“曼加里安”；在火星表面工作的有美国“好奇”号火星车和“洞察”号。

“洞察”号是第一个探测火星深层的航天器，通过监测火星地震和测量它的热量输出，来研究火星的内部结构，揭示岩质行星的形成，帮助人们分析其他岩石行星（包括地球）是如何诞生的。 

美国航天局2013年公布的“好奇”号火星车自拍的照片

如果顺利，“天问一号”预计在2021年2月11日~24日进入火星轨道，4月23日在乌托邦平原着陆，开始探测任务。这一次的火星任务好比“敲门砖”，中国希望在2030年前后实现火星采样并返回地球的目标。

这是“天问”历程下的坚实一步。

正如屈原所好奇的：宇宙的本源、阴阳的化生、星辰的往亘、万物的生死……这些问题都需要持续的探索。

随着嫦娥四号着陆器和月球车已在月球背面顺利完成一系列科学探测工作；长征五号遥三运载火箭发射；高分、北斗在全球进行精准标绘、高精度定位工作，这些“天问”终将被解答。

    编辑 | 黄靖芳

排版 | SHAN

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