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2020年7月23日12時41分，我國首個獨立火星探測任務天問一號，搭乘長徵五號遙四火箭，從文昌航天發射場成功升空，下一站火星！
火星是地球的鄰居，二者同為巖質行星，演化與構造類似。
火星上有水、稀薄空氣、與地球類似的元素、小分子有機物和太陽系最壯觀的山川峽谷等，是地球演化歷史和未來的重要參照，更是人類夢想成為「跨行星生存物種」的完美下一站。
那麼，火星探測的核心問題是什麼？火星探測哪一步最難？火星移民還有多遠？人類為什麼要探測火星？天問一號在中國航天史上將產生哪些新突破？火星……它長啥樣子呢？
小編整理好了一份「火星日報」。
1.
火星長啥樣子，了解一下先
打卡火星上的知名「景點」
從1960年代開始，人類就拉開了火星探索之旅。直到今天，留在火星上的人類探測器已經有數十個，它們有的還未開始完成使命便香消玉殞，有的卻在火星上實現了超長待機。
所以，火星上的知名景點，首推那些先行者們的「遺址」。
景點 | No.1
先行者們的「遺址」
火星著陸器分布地址，圖源NASA
1999年，美國發射的極地登陸者號在降落火星的過程中遺憾墜毀，永遠沉睡在紅色星球的南極。
2012年，好奇號火星探測車在火星的蓋爾撞擊坑成功著陸，至今仍在工作，並發現了火星有水和日偏食等方面的證據。下面就是好奇號從火星傳回來的第一張自拍照：
景點 | No.2
一個火星乃至整個太陽系中
最大最長的峽谷
它叫水手峽谷，也叫火星的傷痕。它的長度與紐約到洛杉磯的距離相當，能覆蓋整個歐洲。
水手峽谷最初是在火星地殼運動的拉力下裂開的，當地質構造運動拖拽火星地殼形成塔希斯山脈時，其斷裂就在地表形成了這個橫跨幾百英裡的粗糙「疤痕」。
水手峽谷內部是富含橄欖石的玄武巖
從這裡取得的水樣酸性較低
景點 | No.3
諾克提斯迷宮
諾克提斯迷宮，位於水手峽谷和塔爾西斯高原之間，因外形曲折神秘似迷宮而得名。它的形成是由斷層作用加上火山活動導致。
在諾克提斯迷宮中，科學家已發現的「幽靈沙丘」多達500個。可不要小看這些沙丘，它們可能就是我們解開火星奧秘的鑰匙哦。
2009年，研究人員在迷宮地層中探測到多種礦物
包含黏土礦物、硫酸鹽礦物和矽的水化物等
景點 | No.4
火星最高山，奧林帕斯山
奧林帕斯山的高度約為珠穆朗瑪峰的3倍。
它是目前太陽系已知的最大盾狀火山。由於火星的多次大規模板塊移動，奧林帕斯山的山體邊緣崩塌，向外推移，在山體周圍形成了壯麗的「奧林帕斯山光環」，遠看就像正在綻放的美麗煙火。
衛星拍攝的奧林帕斯山俯視圖
景點 | No.5
阿西達裡亞平原
科幻電影《火星救援》中，美輪美奐的飛船著陸點原型，正是火星上的阿西達利亞平原。
電影《火星救援》中的著陸場景（上）
阿西達利亞平原真實照片，圖源NASA（下）
根據美國航空航天局傳回的真實影像，阿西達利亞平原並不像電影中那麼平坦。它的地形相對崎嶇一些，地表密布大量土堆和石塊，給人危險而神秘的感覺。
景點 | No.6
火星極冠
火星南北極有厚達數公裡的由水冰或乾冰覆蓋的隆起區域，被稱為火星極冠。它們是火星上水冰的重要儲藏庫。
水和二氧化碳由於反覆的升華和凝結作用
不斷往來於極冠與大氣之間
給高原穿上了一層潔白無瑕的外衣
這奇美的場景不是常年都有的。火星上的大氣，相當於地球三萬千米高空一帶的大氣那樣稀薄，所以不能把水存留下來。每到冬天，極冠會逐漸變得龐大，但隨著春天來臨，極冠又逐漸融化而縮小。
2.
言歸正傳
火星探測的核心問題是什麼
天問一號首席科學家助理、鴻鵠專項首席科學家魏勇：火星科學研究的核心問題，就是火星的水是怎麼演化的。
火星表面上有河流的痕跡，曾經有大量的液態水在火星表面流動。
現在我們已基本知道火星的水逃逸到行星際空間去了，並且是以一種不可逆的、永遠不再回來的方式。在過去幾十億年的時間裡，火星表面的液態水幾乎全部逃逸掉了。所以，水是怎麼通過大氣層逃逸的，這是火星探測的核心問題。
在過去的數十年裡，人們一直幻想改造火星
如果探測發現火星適宜人類居住，未來我們會移民火星嗎？魏勇認為，不是沒有這種可能性。但是，即使研究發現火星可能支撐人類居住，開展火星移民也還有漫長的路，代價非常高昂。可能會有一部分比較熱衷於冒險、有好奇心的人作為探路者率先移民到火星。
3.
火星探測有哪些難點？
中國科學院國家天文臺研究員鄭永春：現在為止全球大概進行了40多次火星探測，成功率大概不到一半。但2000年以來火星探測的相關技術已取得了重大突破。
對於中國的第一次火星探測來講，最大的問題就是未知。
首個關鍵的節點當然是發射，不管任何時候脫離地球引力都是一種高風險。
第二個關鍵節點，當火星探測器從地球發射升空，進入到奔火軌道入口時將獨自奔赴火星，七個月之後在火星附近剎車。剎車的節點直接決定了我們能不能成功環繞火星。
第三個關鍵節點，我們叫「恐怖7分鐘」，即太空飛行器從火星上空進入火星大氣層。火星和地球之間距離遙遠，這個過程只能靠太空飛行器自動調整，接下來只能聽天由命，看它在7分鐘之後能不能告訴我們一個成功的信號。
總之難度步步遞增。但是，我們國家之前的航空經驗給火星探測奠定了非常好的基礎，也使得這次火星探測增加很多信心。
4.
為什麼要在今天發射
錯過要等780天，損失5億美元
地球環繞太陽一周需要約365天，火星則需要約687天。這種「不同步」導致地球和火星之間距離在時刻變化，從5500萬千米到4億千米不等。從地球視角來看，二者每約780天才會合一次。
因而，火星探測器的發射時間要求很苛刻，必須在每次地球和火星會合之前幾個月、火星相對於太陽的位置領先於地球特定角度的時候出發，瞄準6-11個月之後火星的位置，開啟火星探測之旅。
2000-2022年地球和火星距離變化
各火星探測任務在太空中飛行的時間區間
由於每次地球和火星會合機會帶來的理想探測窗口僅在1個月左右，探測任務如果趕不上出發，就要等待26個月後的下一次機會。這對於存在設計壽命、且有著巨大保管維護成本的探測器而言，是很難接受的。NASA局長曾說毅力號火星車錯過2020年7-8月發射窗口的代價，至少是5億美元！
5.
必須給胖五點給贊
在人類航天探索中，太空飛行器的速度是最重要的核心。
三大宇宙速度是人類航天探測的三道鴻溝
想實現火星探測，意味著探測器不僅要突破第二宇宙速度，完全擺脫地球引力，還要在此基礎上進一步加速，在抵達火星前盡力擺脫太陽引力的巨大影響，而太陽的質量是地球質量的30餘萬倍。
這對探測火星的運載火箭要求極高，基本都是各國最為強力的火箭系列。即便如此，探測器佔火箭總體質量的比例都在1%以下，絕大部分質量都用於裝載推進劑，這是人類航天夢想的巨大代價。
近幾年世界各國火星探測任務的主力火箭
對於總重5噸左右的天問一號而言，帶它前往火星的就是長徵系列中最強的長徵5號火箭。
6.
深空導航制導與控制
茫茫深空，漫漫長路。此次發射成功之後，天問一號需耗時7個月左右，預計於2021年2月中才能抵達火星。
此前，我們熟悉的天宮和神舟任務距離地球表面僅400千米，嫦娥距離地球38萬千米。天問一號距地球最遠時，地球和火星距離將達到4億千米！這也意味著對天問一號的導航制導與控制變得異常艱難。
功勳卓著的遠望6號航天測量船
為天問一號保駕護航
一方面，在出發階段，需要陸基測控站和萬噸級遠望系列航天測量船全程保駕護航。出發後，需要龐大的深空探測天線網絡覆蓋整個天域，保證它在整個探測火星過程中都能跟地球有效通信。
另一方面，天問一號也需要自主導航和控制，精準確定自身位置和姿態。例如利用恆星敏感器把自己的姿態確定到角秒級的精度，而1角秒僅僅是1度的3600分之一！
目前，地球上的中國航天人和太空中的天問一號，正常通訊中。
7.
繞、著、巡，一個都不能少
人類探測火星60年來，共有四種任務類型：驚鴻一瞥的「飛掠」，登高望遠的「環繞」，觀天測地的「降落」和自由移動的「巡視」。
其中，「飛掠」僅是在早期技術不成熟或其他任務兼職探測火星時使用，另外三種是近些年來的任務類型主力。未來在計劃突破第五種：採樣返回。
人類目前有四種火星探測任務示意圖
環繞器（軌道器）能長期環繞火星，採集海量的數據，全方位研究火星磁場、大氣、重力場、水、淺層土壤、地質地貌等方面，還能起到信號中繼作用，服務於降落在火星表面的著陸器和巡視器。
著陸器能仔細研究火星表面的各種細節，但由於重量和自身能量限制，無法移動和自由巡視。
巡視器可以隨處移動，它的質量能更多集中於科研載荷，從事多地點多方面的精細研究。
這次，天問一號包括了環繞器、著陸器和巡視器三個部分。總之，極度複雜的中國火星探測任務正在路上！
編輯：金子
圖片：來自網絡
本文編輯自：蝌蚪五線譜
新京報、科學大院、中國探月工程
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