圖片來源：大英百科全書（britannica）
北京時間2020年7月22日夜晚，中國長徵五號遙四運載火箭在海南文昌航天發射場完成技術區總裝測試，垂直轉運至發射區。各項工作有條不紊，我國將擇機實施我國首個火星探測器天問一號的發射任務。
圖片來源：央視新聞
天問一號的名字，來自浪漫主義詩人屈原先生的詩歌集《楚辭》中的名篇《天問》。以前文學家木心先生講說，屈原的《楚辭》能和西方交響樂——華格納、勃拉姆斯、西貝柳斯、法朗克——相媲美。全篇總在起伏流動，一種飛翔的感覺。
飛翔的感覺。天問一號即將啟程的探索之旅，也是足夠羅曼蒂克的。
關於這趟旅程，錢江晚報·小時新聞記者特邀北京大學地球與空間科學學院教授、中國空間科學學會、空間探測專家委員會副主任焦維新先生，來為讀者作獨家深度解讀。
大碼
5噸
Q：中國的探測器為什麼這麼重？
一切都很大。
中國火星探測器天問一號由環繞器、著陸器和巡視器組成，重量達到5噸左右。
大塊頭。
在全世界各國（組織）發射的火星探測器看，天問一號算是一個比較大體量的探測器。
大，因為中國這次的任務是一次發射完成多種探測。
人類探測火星的方式與探測月球的方式基本類似，包括環繞探測、著陸探測、巡視探測、採樣返回探測和載人登陸探測等五種。這其中，採用環繞探測方式可以對火星進行整體普查甚至是全球勘測；採用著陸探測和巡視探測方式可以對火星進行區域性詳查；採用採樣返回探測和載人登陸探測方式可以對火星進行區域性精查。這五種方式，按前後順序來說技術難度是越來越大，所以一般都採用循序漸進的方針，先進行環繞探測，然後進行著陸探測、巡視探測、採樣返回探測，最終進行載人登陸探測等 圖片來源：央視新聞
截至目前，人類在探月的歷程中，這些探測方式都採用過，但每次發射基本上只採用其中的一、兩種探測方式。只有美國成功實現過一次發射完成環繞探測和著陸探測。歐洲曾兩次進行類似的火星探測活動，但都只完成了環繞探測，著陸探測均以失敗告終。
火星環繞器 圖片來源：央視新聞
火星車探測儀器 圖片來源：央視新聞
火星車衛星 圖片來源：央視新聞
焦維新解釋說，大多數火星探測器都屬於單獨發射——一次就發射一個設備，軌道器（環繞器）、火星車（著陸、巡視設備）分開發射。「比如，今年美國將要發射的毅力號火星探測器，只包含一輛火星車（1043千克）。」
與月球探測相比，由於火星和地球的距離比月球和地球的距離遙遠得多，探測火星的難度也比探測月球的難度大得多。因此，至今人類對火星的探測只採用過環繞探測、著陸探測、巡視探測方式，未來的目標是對火星進行採樣返回探測和載人登陸探測，但難度、投資和風險都將很大。
如今，我國即將實施的首次火星探測任務，計劃通過一次發射完成火星環繞、著陸和巡視三項任務，起點很高，同時也具有很大挑戰性。
Q：這樣的大傢伙如何飛向火星？
如何把這樣一個重量的飛行器送入「奔火」軌道？
大塊頭配大胖子。
目前我國的這項火星探測器發射任務，只能由現役最大的火箭長徵五號承擔發射任務。
長徵五號火箭2016年成功首飛，這支外形巨大的火箭總長約57米，箭體直徑達到5米——此前我國現役火箭箭體直徑最大的只有3.35米。因此長徵五號火箭被親切稱為「胖五」。「胖五」不僅是我國目前最高、體積最大的火箭，也是運載能力最強的火箭。
發射深空探測器，需要運載火箭提供足夠的發射能量，使探測器獲得足夠大的初始速度。在分離速度確定的條件下，重量越大的探測器，所需要的發射能量也越大。
行星探測器要脫離地球的引力場，必須達到一定的速度。要進入地-火軌道，天問一號的速度必須超過第二宇宙速度——11.2公裡/秒，它才能飛向自己的目標行星。否則，探測器只能繞著地球轉。
月球探測器（我國嫦娥四號探測器）要實現繞月飛行，速度要超過第一宇宙速度，7.9公裡/秒 圖片來源：新華社
在長徵五號火箭出現之前，當時運載能力最強的長徵三號乙運載火箭，大約可以將兩噸左右的探測器送入地-火轉移軌道；而長徵五號運載火箭的地-火轉移軌道發射能力，超過了5噸。所以說「探火」任務，只有大胖子長徵五號火箭能夠勝任。
約會
26個月
Q：為什麼26個月才能等到一次窗口期？
大碼探測器趕赴的是一場約會。一場精心安排的宇宙約會。
2020年火星任務的發射窗口期是在7月15日-8月5日。
中國、阿聯、美國、歐空局都計劃在今年這個窗口期發射各自的火星探測器。
從約會時間看，本周發射成功的阿聯希望號火星探測器，原定是在7月16日發射。由於發射場雷暴天氣持續等不穩定的氣象原因，第一次推遲到17日，條件仍然不成熟，再推遲到20日正式發射；
中國天問一號即將發射；
美國的毅力號火星探測器，計劃在在美國東部時間7月30日上午7：50（北京時間當天晚上7：50）發射。NASA也表示，如果這個窗口不能一鼓作氣實施，第二個窗口會在8月5日；再有變故，他們計劃在8月15日發射毅力號。2020年8月15日，已經是不能再往後推的發射窗口了。火箭修正軌道，太費燃料。
所以ESA（歐空局）掉隊了。
原本也將今年夏天發射火星探測器的ESA，在春天時宣布：由於疫情原因，不能按時完成探測器的所有測試，今年無法趕在窗口期發射。
錯過這一趟窗口期，那麼就要等待26個月。ESA新的發射計劃可能是在2022年10月。
火星車（左）和著陸平臺（右） 圖片來源：央視新聞
Q：誰是約會的主角？
探測器要和火星相約。當它們相遇後，探測器需要被火星引力捕獲。
在太陽系中，地球、火星都繞著太陽公轉，地球在內圈、火星在外圈。
那麼地球發射的探測器要去火星探測，它得一邊往前飛，一邊得往外靠過去，它的飛行軌跡是一個橢圓的軌道。
等到天問一號飛了一段時間到達火星軌道時，火星也正好公轉到同一個地方。探測器就要準備被火星引力吸引。
這場約會，探測器和火星，彼此都不能等待。
「但這並不容易，探測器不能一下子往火星飛，要逐漸往外靠；而火星繞太陽一圈需要687個地球日。
根據霍曼軌道原理，科學家計算的結果是：當天問一號繞過太陽運轉半圈後再往火星飛去，是最節省能量的。」
Q：具體是一個什麼樣的約會時間點？
要完成這場約會，火星和地球的相對位置有特別的要求。
焦維新舉了一個很形象的例子，「好比標準田徑場（400米一圈跑道）上進行比賽，跑100米，所有選手站在同一水平線上起跑，但是400米比賽，選手們起跑點是不一樣的——從同一平面看，外圈選手起跑位置更靠前一點。」
火星車探測儀器 圖片來源：央視新聞
地球和火星需要處於同樣的相對位置。
當地球和火星都在太陽的同一邊，火星要在地球前方一些。此時，太陽和地球之間畫一條線，太陽和火星之間畫一條線，這兩條線之間的夾角達到44°，這就是天問一號和火星相遇的最佳時間點。
火星在687天內繞太陽公轉一周（360度），這意味著它每天移動0.524度（360度/687天）。在259天內（沿霍曼轉移路徑從地球到火星的旅行時間），火星將移動136度（每天0.524度*259天）。要計算火星在發射時的位置，就要從到達點（180度）減去火星在太空飛行器飛行時間（136度）期間的運動量。180°–136°=44°。探測器發射時是在霍曼軌道近日點（離太陽最近的點），到達時是在霍曼軌道遠日點（離太陽最遠的點）。當火星在其軌道上領先地球44度時，就是最佳的發射時機 圖片來源：加州大學噴氣推進實驗室（Caltech’s Jet Propulsion Laboratory ）
如果發射成功，這個時間大約是天問一號發射後7個月。
ESA錯過今年的窗口期，為什麼最快只能等26個月後？就是因為2020年夏天的窗口期之後，這個夾角會超過44°，或者再飛著飛著，地球跑到火星前面去了，探測器和火星就沒有辦法約會了。
26個月後，44°會再次出現。
當然天問一號也要非常努力的。
這個過程中，火星就按照它的日常軌跡運行，對它來說，遇到天問一號是邂逅。
探測器呢，需要不斷地修整軌道，在速度超過第二宇宙速度（11.2公裡/秒）後，大多數時候，天問一號會關機運行。當進程沒有達到預期時，它會點火進行調整，以保證會在44°時，能夠遇到火星。
圖片來源：earthhow.com
魔鬼
7分鐘
Q：人類探測器探索火星為什麼這麼難？
火星向來以吞噬人造探測器著稱。
人類從20世紀60年代開始，多個國家和組織先後發射了火星探測器，完全成功率不足50%。
圖片來源：央視新聞
「有的探測器是發射成功，但是後來工作幾天通訊系統出問題，就失聯了；也有的是火星車著陸失敗。」焦維新說。
當天問一號慢慢接近火星，以便被火星的引力捕獲而進入環繞火星軌道時，它又需要一直降速——從11.2公裡/秒，一直降到大約3公裡/秒。
但是速度不能低於火星的逃逸速度1公裡/秒，否則火星又吸不住天問了。
天問一號需要用大約30分鐘左右的時間點火減速。這個過程中，探測器會飛到火星背面去了。這是一個地球人完全沒有辦法聯繫到天問的時間段。
焦維新說得很有趣：「好比先生在產房外面等著太太分娩。『哇』一聲不來，緊張得很。」
「哇」什麼時候來？人類再次接到探測器的信號——天問一號成功進入火星軌道。比如日本曾經發射的火星探測器，沒有向它的地球爹媽傳來這聲「哇」。
天問一號還有著陸器，要再多經歷一個生死7分鐘——從進入火星大氣層到著陸火星地表的時間。
著陸平臺（左）和火星車（右） 圖片來源：央視新聞
全部都是巨大的考驗，ESA兩次火星探測任務，都在這一步空虧一簣——弄得不好玉石俱焚。如果著陸器減速過大，容易一頭扎到火星上去。
高溫，一、兩千攝氏度的溫度。降落時，著陸器的迎風面跟一團火似的，全靠一塊熱屏蔽幕保護著陸器和裡頭的火星車。
最後一段路程採取什麼方法軟著陸？世界各國方法各異。
美國已經發射的機遇號、勇氣號火星著陸器，彈出一隻氣囊來，讓著陸器在上面蹦床幾十次，直到沒有彈力。
天問不能用這個辦法，對，還是因為天問的著陸器重，蹦床受不了。天問的著陸器有一個緩衝支架，也是有彈性的，在降落過程中，拖著著陸器來回緩衝，直至平穩落地。
我國的火星著陸器，將落在火星中部——火星古河道區域。而後，火星車開始在火星上進行為期一個火星年（687個地球日）的科學探索。
天問一號的著陸平臺 圖片來源：央視新聞
著陸平臺 圖片來源：央視新聞
魔鬼，也許就是更加有魅力的。
焦維新在他的著作《探索紅色星球》中提出「火星地球化」的概念，並給出了人類改造火星的時間表：「在大約300年後,火星喜見微生物,溼潤之處藻類生；從此星球見生機，蓬勃凸見下世紀；大約600年後，苔蘚生，氧氣增，清水充滿隕石坑；大約800年後，孜孜不倦千年，喜見綠水青山，宇宙紅色星球，人類第二家園。
來源 錢江晚報·小時新聞
文/章咪佳
新媒體設計/通訊員 黃凌伶
編輯 張良勝 編審 楊儀 王琳