「天問一號」發射升空！我們為什麼要探測火星？

根據央視新聞客戶端消息，2020年7月23日12點41分左右，我國長徵五號遙四運載火箭在海南文昌發射中心發射升空，本次搭載的是「天問一號」火星探測器。這是我國首次自主探測火星，要通過一次任務實現火星環繞、著陸和巡視，難度係數非常高。

據官方介紹，「天問一號」這個名稱源於屈原長詩《天問》，表達了中華民族對真理追求的堅韌與執著，體現了對自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學真理徵途漫漫，追求科技創新永無止境。

為什麼我們要探測火星？

圖註：火星的地形地貌（來源：?NASA）

圖註：火星的地形地貌（來源：?NASA）。

火星是太陽系內與地球環境最接近的行星，有稀薄的大氣層，氣壓為地球的1%，局部最高溫度甚至可達35攝氏度，當然平均溫度還是比較低的，只有零下63攝氏度。此外，還封存有大量冷凍狀態的水（有關火星水資源的情況，下文有專門部分介紹）。因此，在未來，火星幾乎是唯一存在移民可能性的行星。另外，火星還可能存在像微生物這種低等生命的可能性。這也是世界各國熱衷探索火星的重要原因。

為什麼必須要用長徵五號火箭發射？

從原理上講，採用多大運載能力的火箭發射探測器取決於兩個因素：一是看探測器有多重，二是看探測器要飛往哪裡。我們來具體看一下「天問一號」的情況。本次「天問一號」火星探測器整體重約5噸，目的地是遙遠的火星。我國目前運載能力最強的長徵五號火箭才剛好能夠滿足要求，因此必須用長徵五號火箭發射。

為什麼今年三個國家扎堆發射火星探測器？

你如果關注太空，就會知道今年有三個國家向火星發射探測器：我國的「天問一號」探測器、美國的「毅力」號火星車和阿聯的「希望」號探測器。其中，「希望」號探測器已於7月20日率先發射升空，目前正在飛往火星的途中；「毅力」號火星車計劃將於7月30日發射。

如果錯過了8月15日這個最後的窗口日期，那麼就要繼續等兩年，這是為什麼呢？

我們知道，火星軌道在地球軌道的外側，它們共同繞太陽運動。火星繞太陽一圈大約需要2個地球年，火星運動的比地球慢，因此二者之間的相對位置在時刻在變化。最遠時兩者之前的距離大約4億公裡，最近時大約5500萬公裡。那，是不是說當兩者之間距離最近的時候才發射火箭呢？答案是否定的。上面我們也說了，地球和火星的相對位置在時刻變化，我們不能有「刻舟求劍」的錯誤思維。

其實，早在1925年，有一位名叫霍曼的工程師就提出了一種讓太空飛行器變換軌道的最優方案，後來被稱為「霍曼轉移軌道」。具體到從地球飛往火星，這是一種連接地球軌道與火星軌道的橢圓軌道。如果選取的發射時間窗口合適，當探測器沿著霍曼軌道運動到與火星軌道交點時，火星也能恰好運行到這個交點附近。對於發射火星探測器而言，這個時間窗口大約每26個月才出現一次。因此，錯過今年的發射窗口，就要再等兩年！所以，今年才出現扎堆發射火星探測器的情況。例如，歐盟和俄羅斯聯合研製的火星探測器，本來也是今年發射，但由於技術原因被迫推遲，只能等到2022年發射了。

圖註：2018年，美國洞察號飛往火星的軌道。其他飛往火星探測器的軌道類似。

這裡要強一下，這種最優的軌道設計不是最節省時間，而是最節省燃料，目的是為了最大限度提高有效載荷。理論上，採用霍曼轉移軌道，從地球到火星要飛八個多月左右的時間。當然，探測器實際飛行的軌道往往並不是嚴格的霍曼轉移軌道，實際飛行時間稍短或稍長。本次，「天問一號」只需七個多月就能到火星了。

「天問一號」探測器是什麼樣構型？

前面我們也提到了，「天問一號」要一次性完成對火星環繞、著陸和巡視，簡稱繞、落、巡。這就要求探測器由三個基本部分構成：軌道飛行器（火星衛星）、著陸器和巡視器（火星車）。在發射時，三個部分作為一個整體，一起發射升空。

圖註：著巡器降落火星藝術圖。

「天問一號」進入火星軌道後，當時機成熟時，軌道器和著巡器（著陸器+巡視器）先分離，軌道器繼續繞火星飛行，著巡器在氣動阻力、降落傘減速、反推火箭制動以及著陸腿緩存等一系列減速方法的作用下，在火星上實現軟著陸。隨後，火星車駛離著陸平臺，踏上火星表面。至此，三大部分完全分離。

圖註：著巡器在火星表面（藝術圖）。

喜歡太空的朋友肯定對NASA的「機遇」號火星車、「勇氣」號火星車和「好奇」號火星車並不陌生。它們是火星探測的擔當，時不時會傳出有關火星上的新發現。我們自己的火星車是什麼樣子呢？

圖註：天問一號火星車在火星表面的樣子（藝術圖）。

我們的火星車重約240公斤，幾乎是玉兔月球車重量的兩倍，預計能工作至少90個火星日。這個重量介於NASA的「機遇」號火星車和「好奇」號火星車之間。具體來講，「機遇」號火星車重185公斤，「好奇」號火星車重900多公斤。

我們的火星車有四片太陽能板，六個車輪，兩個高聳的天線，看起來就像一隻蝴蝶。受火星上光照和溫度的限制，火星車最佳的工作時間是在火星的中午前後，這時候陽光比較充足，能為其上搭載的科學儀器提供充足的電力。在白天陽光充足的時候，火星車還會把一部分電能儲存在蓄電池中，以備夜間使用。

除此之外，科學家還想到一種利用物質相變吸收太陽能的巧妙方法，在火星車頂部，有一個叫集熱窗的裝置，裡面裝有正十一烷。白天，溫度升高的時候，這種物質吸收熱量而熔化；夜間，溫度下降的時候，這種物質釋放熱量而凝固。利用這種方法，可保證火星車安全度過漫漫寒夜。

「天問一號」的科學目標是什麼？

據官方透露，「天問一號」任務共有13種有效載荷。軌道器上的7臺儀器包括兩臺相機、火星軌道次表層探測雷達、火星礦物學光譜儀、火星磁力儀、火星離子和中性粒子分析儀、火星高能粒子分析儀。火星車上的6臺儀器包括多光譜相機、地形相機、火星次表層探測雷達、火星表面成分探測器、火星磁場探測器和火星氣象監測儀。

這些有效載荷要完成以下五大科學目標：（1）繪製火星形態和地質結構圖；（2）調查火星表面的土壤特徵和水冰分布；（3）分析火星表面的物質組成；（4）測量電離層和火星地表氣候及環境特徵；（5）探索火星的物理場（電磁場、引力場）和內部結構。

「天問一號」的重要意義是什麼？

我們知道，我國已經完成了四次探月任務：嫦娥一號和嫦娥二號的繞月任務，嫦娥三號和嫦娥四號的落月任務，其中，嫦娥四號完成人類探測器首次在月球背面軟著陸的壯舉。然而，這都還都屬於地月系統內的探測，而本次「天問一號」探測器是我國首次自主探測火星，而且還要一次完成軌道器、著陸器和火星車三種形式的探測活動，複雜度和難度非常高。一旦成功，將標誌著我國在深空探測領域取得了重大進展。

據悉，後續我國還將執行小行星探測、火星採樣返回和木星探測等深空任務。因此，「天問一號」還將為未來的這些天問系列探測器鋪平道路。

無形的風箏線：深空網

火星探測器離開地球，在飛往火星的過程中需要精確測控。由於探測器的距離很遠，發出的信號隨著距離的增加而衰減，這就需要有強大的深空測控能力。

圖註：位於美國加州戈德斯通的70米深空網天線。

最著名的要數美國深空網（DNS），這是由美國噴氣推進實驗室管理的一個先進的測控網，是為了對執行月球、行星和行星際探測任務的太空飛行器進行跟蹤、導航與通信而建立的地基全球分布測控網。

為了克服地球自轉影響，實現對深空太空飛行器的連續測控覆蓋，深空測控網的布局通常是在全球範圍內經度上間隔約120度，這樣就可以確保對距離地球表面3萬公裡以上的太空飛行器進行連續跟蹤。

美國深空網由在全球按經度間隔120度分布的三個深空通信綜合設施組成，分別位於美國加州的戈爾德斯通、西班牙的馬德裡和澳大利亞的坎培拉。深空網的操作控制中心位於美國加州帕薩迪納的噴氣推進實驗室。美國深空網是目前世界上規模最大、能力最強的深空測控系統。

除了美國深空網，歐空局也有自己的全球性深空網。俄羅斯、日本、印度、義大利、德國等國家也研製建設了自己的深空測控設備，但並未形成完整的全球性深空網。

近年來，我國為了深空探測的需要，也建立了自己的深空網，嫦娥探月計劃的成功實施，深空測控網功不可沒。本次發射「天問一號」火星探測器，也得益於我們除了擁有推力強勁的長徵五號運載火箭之外，還擁有獨立的全球性深空網。

我們的深空通信綜合設施主要是喀什深空測控站、佳木斯深空測控站和位於阿根廷的深空測控站。為什麼要到阿根廷建設深空測控站？上面我們也提到了，為了克服地球自轉影響，實現對深空太空飛行器的連續跟蹤。據悉，雖然佳木斯站和喀什站充分利用了我國地域上的東西縱深，經過驗證，其測控能力已可達到6400萬公裡，但是這兩個深空測控站還不能實現全天24小時覆蓋，每天還會有8到10個小時的測控盲區，要保證連續的通信還得在我國另一面的南美洲建一個站點。

圖註：喀什深空站35米測控設備。

圖註：佳木斯深空站66米測控設備。

圖註：阿根廷深空站35米測控設備。

目前，我國的深空網已成為繼美國深空網、歐空局深空網之外，又一功能完備的全球性測控網。

除了這些專用的深空測控天線外，分部在國內的眾多射電望遠鏡也能幫助接受信號，為我國深空探測任務保駕護航。

火星和地球的比較

太陽系內有八大行星，其中水星、金星、地球和火星屬於巖石行星，探測器可以在上面著陸，木星、土星、天王星和海王星屬於氣態行星，沒有固體表面。

在四顆類地行星中，金星和地球的大小最為接近，但除了大小之外，其他方面就很不一樣了，金星表面的溫度可達400攝氏度，甚至可以讓鉛熔化，人類是無法在這樣的環境中長期駐留和生存的。

圖註：地球和火星的大小比較。

火星的直徑相當於地球的一半，表面引力相當於地球的三分之一，大氣壓相當於地球的百分之一，赤道地區最高溫度甚至可達35攝氏度，但全球平均溫度較低，為零下63攝氏度。

另外，火星的自轉周期和地球非常接近，為24小時40分鐘。像地球一樣，火星也是傾斜著自轉的，傾角為25.2度，地球為23.5度，兩者也非常接近。由於是傾斜著自轉，也就像地球一樣，有四季交替現象。

值得注意的是，火星的大氣絕大部分是二氧化碳，含量高達95%！其餘是氮氣等氣體，沒有氧氣。因此，未來飛往火星的太空人必須身穿太空衣才能在上面活動。

火星是一顆擁有大量水（冰）的行星

最新探測表明，遠古火星也曾經是一顆溫暖溼潤的星球，很可能有全球性的海洋。2015年，有科學家聲稱，遠古火星的北半球曾經被平均深度達數百米的海洋覆蓋。前提是，遠古火星的大氣壓要比當前高很多才行。細節方面尚存爭議。

圖註：遠古火星可能存在過大面積的海洋。

目前，在火星的兩極地區，尚有大量冷凍狀態的水，也就是水冰了。在水冰之上，覆蓋有數米後的一層乾冰（固態二氧化碳）。科學家估計，如果火星南極冰蓋完全融化，然後覆蓋火星表面，那麼平均水深可達11米。

2016年，美國宇航局宣布，在火星烏託邦平原地區，發現有一個巨大的地下冰體，估計含水量相當於蘇必利爾湖。烏託邦平原也是本次我國「天問一號」火星著巡器選擇的著陸的地區。。

圖註：火星上的這個撞擊坑內部充滿了水冰，足有2.2萬億立方米。

2018年，歐空局的「火星快車」探測器在火星北極地區發現了一個巨大的撞擊坑，直徑達81公裡，深2公裡。令人興奮的是，撞擊坑內部充滿了水冰，體積達2200立方公裡，換算一下，相當於2.2萬億立方米。如果全部融化成水，體積要乘以0.9，那就是1.98萬億立方米，相比之下，三峽大壩的最大庫容才400億立方米。

火星上有生命嗎？

既然火星上有大量的水資源，還可能曾經一片汪洋，會不會存在火星生命呢？這個問題無疑也是科學家最關心的問題。

早在19世紀，有一位義大利天文學家通過望遠鏡觀測到火星表面存在著凹槽或者河道，他以義大利單詞「canali」對其命名，在英語中的意思是「運河」。使人們產生聯想認為火星表面可能存在智慧生命，並建造運河系統。

隨著望遠鏡技術的進展和深空探測的進步，火星上存在高等智慧生命的說法不攻自破。但有沒有存在像細菌這樣的低等生命呢？

人類探測器前赴後繼要去火星，其中一個最重要的目的是，尋找目前火星存在生命的證據或遠古火星存在過生命的證據。從1976年著陸火星的「海盜」號探測器，到2012年著陸火星的「好奇」號火星車都在努力尋找這個問題的答案。到目前為止，還沒有明確的結論，但已經發現遠古火星存在過生命的蛛絲馬跡。

如果發射條件允許，今年7月30日，美國「毅力」號火星車將發射升空。毅力號是在「好奇」號的架構上建造而成，堪稱「好奇」號的姊妹探測器，其主要使命就是尋找火星生命的痕跡。

人類探測火星的悲壯歷史

圖註：人類發射成功的火星探測器全家福。

迄今為止，人類已嘗試發射了45次火星探測。其中，美國21次，前蘇聯和俄羅斯共19次，日本1次，歐洲2次，印度1次，阿聯1次。完全成功和部分成功共計23次（阿聯的「希望」號探測器還在飛往火星的途中，先不做成功與否的統計）。

其中，前蘇聯共嘗試發射17次火星探測器，成功和部分成功僅5次，成功率僅29%。因此，火星有探測器墳場的稱呼。

我們來看一看前蘇聯悲壯的火星發射歷史：

1960年10月10日，蘇聯率先嘗試發射火星探測器，遺憾的是，沒有飛出地球軌道。

1960年10月14日，再發射一枚，又失敗了。沒有離開地面。

1962年10月24日，再發射一枚，又失敗了，沒有飛出地球軌道。

1962年11月1日，再發射一枚，這次終於發射成功，但在飛往火星的路上失聯了。

1962年11月4日，再發射一枚，沒有飛出地球軌道。

1964年11月30日，再發射一枚，這次發射成功了，但在飛往火星的路上又失聯了。

1969年3月27日，再發射一枚，又失敗了，沒有飛出地球軌道。

1969年4月2日，再發射一枚，又失敗了，火箭升空41秒爆炸了。

1971年5月10日，再發射一枚，又失敗了，沒有飛出地球軌道。

1971年5月19日，再發射一枚，這次終於成功了，並於1971年11月27日進入火星軌道。

此後，前蘇聯又發射了7次火星探測器，成功了4次，失敗了3次。

美國向火星發射了22次探測器，其中成功了15次，失敗了7次；歐空局向火星發射了2次，成功了2次；俄羅斯向火星發射了2次，失敗了2次；日本向火星發射了1次，失敗了1次；印度向火星發射了1次，成功了1次。

隨著科技的進步，近些年火星探測器的成功率已經有了很大的提高。

2020年7月20日，阿聯的「希望」號火星探測器發射升空，正在飛往火星的徵途中。

火星上有哪些最著名的探測器？

圖註：迄今為止在火星表面著陸的探測器。

當前，最著名的火星探測器要數「好奇」號火星車了，「好奇」號火星車自從2012年著陸火星以來，一直穩定工作，靠放射性同位素發電機提供能量。

圖註：美國宇航局好奇號火星車（藝術圖）。

2004年著陸火星的「勇氣」號和「機遇」號火星車也是大名鼎鼎，兩輛火星車的設計壽命只有90天，但兩者都大大超期服役。其中，「勇氣」號運行到2010年，「機遇」號更是運行到2018年。

圖註：美國宇航局機遇號號火星車（藝術圖）。

1976年著陸到火星的「海盜一號」和「海盜二號」著陸器也非常有名，這兩枚著陸器極大提高了人類對火星的認識。

2018年著陸火星的「洞察」號探測器是目前最新的著陸器，目前正在通過監聽火星的星震和內部熱流來研究火星的整體結構。

圖註：火星勘測軌道飛行器（藝術圖）。

除了這些火星車和著陸器，在火星軌道上運行的著名軌道器（火星人造衛星）有「2001火星奧德賽」；「火星快車」以及「火星勘測軌道飛行器」等等。

現在，「天問一號」火星探測器已踏上了奔赴火星的軌道，它還要經歷7個多月的漫長旅行，行程數億公裡才能到達火星。祝「天問一號」一路順風，明年2月期待它著陸火星的好消息。

來源：騰訊科技