“天问一号”，向着火星出发！

 

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2020年7月23日12时41分，我国首个火星探测器“天问一号”在海南文昌航天发射场成功发射。这是我国首次执行火星探测任务，标志着我国在深空探测阶段迈出的崭新一步。“天问一号”升空后将经历7个月左右的长途跋涉，到达火星并开展环绕和巡视探测。

“天问一号”发射升空|新华网

火星对于人类究竟有着怎样的吸引力？我们又是如何一步步探索太空的？

为什么选择火星？

近几十年来，人类对于火星的探索热情越来越强烈。这颗赤色的星球凭什么引起了这么多科学家以及天文爱好者的兴趣呢？

在太阳系的八大行星里，金星和火星是最靠近地球的两颗行星。早在肉眼观星的时期，人们就发现夜空中有一颗星星与众不同，闪烁着红色的光，这就是火星。中国古代人称其“荧荧如火”，将它视为厄运和灾难的预兆。而在古希腊神话里，火星也被看作是战争之神的象征，同样靠近地球的金星则被看作是爱与美之神——维纳斯的象征。

夜空中的火星|NightChina

但实际上，随着科技的进步，人类逐步揭开这两颗行星的面纱才发现，表面美好的金星其实非常的“暴躁”，不仅表面温度达到了400摄氏度，而且到处都是喷发的火山和硫酸雨，根本不适合人类生存。

而一直被人类误解的火星，却是太阳系里与地球环境最相似的行星。如果将来人类真的要进行星球移民，就目前来看，火星是最佳的选择。

火星探测有多难？

人类对于太空的探索有几个重要的阶段：

第一个阶段是人造地球卫星，也就是发射航天器环绕地球运行，例如我们的北斗卫星导航系统就是由几十颗环绕在地球上空的卫星组成的。

卫星导航系统示意图|搜狐

第二个阶段是载人航天与空间站建设，也就是将人类送进太空并长时间在太空中工作生活。

第三个阶段才是月球与深空探测。这个阶段的技术难度最大，需要将航天器送入太空并脱离地球的引力飞出绕地轨道，航天器被月球的引力捕捉后围绕月球运行，最终实现登陆月球。

而与登陆月球相比，登陆火星的难度可就大得多。

地球、月球和火星的位置|网络图片

月亮是围绕地球运行的，地月之间的距离不过38万公里，无线电信号从月球发射，1秒就能被地球接收到。但地球和火星则是围绕太阳公转的，两者运行的轨道之间，最近的距离是5500万公里，最远则超过4亿公里。也就是说，从火星上发射无线电信号到地球，需要几分钟甚至几十分钟的时间。

不仅如此，月球没有大气层，航天器在着陆过程中信号受到的干扰因素较小。但火星外围包裹着大气层，航天器进入大气层需要经受高速碰撞、高温和高压的考验，在这短短的7分钟里，由于信号的延迟和强烈的干扰，航天器需要完全自主导航，其难度可想而知。人类至今实施了46次火星探测项目，成功率仅为43%左右。

为什么选择夏天发射？

不光是中国，还有包括美国、阿联酋等多个国家选择在今年7、8月发射火星探测器，那为什么选择在这个时间发射呢？

首先我们要知道，探测器并不是在地球最靠近火星的时候发射的。通过太阳系各大行星的位置图不难看出，地球比火星更加靠近太阳，所以地球的公转轨道比火星小，公转速度也更快。探测器从地球出发，顺着公转的方向一边向前飞，一边向外靠近火星运行的轨道，当火星和探测器都飞到同一位置的时候，探测器就可以被火星的引力捕捉了。因此，探测器的飞行轨迹应当是个椭圆。

地球和火星的公转演示|星球研究所

为了省时省力地将探测器从地球送上火星，不仅要考虑两颗行星运动的位置关系，还要保证在发射时，火星是跑在地球前面的。因为只有这样，探测器才能在最短的时间和距离内追上火星。这就好比在标准的400米田径赛道上，外圈的起跑位置比内圈更加靠前一些，就是这个道理。

火星与地球在发射时的相对位置|加州大学喷气推进实验室

而根据科学家们的观测和研究，最终确定今年的7月15日-8月5日是探测器发射的窗口期。错过这个时间，地球就会跑到火星的前面，想要等到它们再次运行到合适的相对位置，就得26个月以后了。

为什么选在海南发射？

目前我国拥有甘肃酒泉、四川西昌、山西太原和海南文昌四大卫星发射基地，其中海南文昌发射基地是我国唯一一个滨海发射场。作为我国首次火星探测器的发射场地，文昌发射场比其他三个发射场更具优势。

以往大多数的火星探测器都属于单独发射，一次就发射一个设备，比如今年同期美国将要发射的毅力号火星探测器，就只包含一辆火星车，重1043千克。而我们的首次“探火”任务中，“天问一号”则由轨道器、着陆器和巡视器三个设备组成，重达5吨。这样“大块头”的探测器，需要由运力足够大的火箭来运载，因此我们派出了现役最大的火箭——俗称“胖五”的“长征五号”来承担发射任务。

海南文昌发射基地|网络图片

海南文昌发射场靠近赤道。要知道地球自转时，越靠近赤道转速越大，在这里发射火箭，咱们的“胖五”就可以省力一些了。

如何将探测器送上火星？

要进入地-火轨道，“天问一号”的速度必须超过第二宇宙速度——11.2公里/秒，它才能脱离地球的引力场飞向自己的目标行星。否则，探测器只能绕着地球转。这样重量级的任务，也只有“胖五”能够完成。

当探测器被地球从赤道上“甩出”后，探测器在高速中飞离地球，并开始追赶和靠近前方的火星。当探测器慢慢接近火星时，它又需要点火降速，从11.2公里/秒，一直降到大约3公里/秒，以便被火星的引力场捕获，进入环绕火星的轨道。这一过程中探测器所运行的轨道就叫做霍曼转移轨道，简单理解就是地球切线和火星切线连接起来的一条抛物线。

霍曼转移轨道示意图|星球研究所

这一过程说起来简单，但实际操作过程中，每一步都是巨大的考验。

“天问一号”的探测任务？

人类对于行星的探测主要分为四种：飞越探测、环绕探测、着陆探测和巡视探测。飞越探测是最为简单的一种探测方式。1965年7月，美国的“水手4号”星际探测器就已经成功飞越火星，并拍到了第一张火星表面的照片。

而这一次中国的“天问一号”将一次完成三项探测任务，即环绕探测、着陆探测和巡视探测。

“天问一号”探测器包括轨道器、着陆器和巡视器三个部分，严格来说应该是一组探测器。轨道器在火星上空环绕运行，对火星表面进行遥感影像拍摄，同时作为火星车的信号中转站，将采集到的信息传输回地球；着陆器则是作为缓冲平台，在成功着陆后，会将体内的火星车“吐”出来；火星车驶离着陆平台后就可以开始火星表面的巡视探测，它的身上带着摄像头、雷达、光谱测量仪等，分别探测火星上可能存在的水、冰层和磁场等物质。

着陆器及巡视器演示|CNSA

一次完成“绕、落、寻”三项探测任务将是前所未有的创举。根据计划，“天问一号“将经过约200天的飞行后才能抵达火星轨道，于2021年2月11-24日环绕火星运行，并于2021年4月23日降落一台火星车到火星表面，进行时长90个火星日的探索工作。希望明年，我们可以听到来自遥远火星的捷报！

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