剛剛，「天問一號」發射成功，中國首次火星探測任務啟航

就在剛剛，中國首次自主火星探測任務正式啟航。

在椰林深處的海南文昌航天發射場，火星探測器「天問一號」在中國最強火箭長徵五號遙四 1000 多噸的推力下，以十幾分鐘翻越 220 多座珠穆朗姆峰的速度，衝破大氣層，奔向距離地球超過 6000 萬公裡的紅色星球。

在不久前，我們見證了 SpaceX 首次載人航天任務。其實 2020 年也是中國航天史實現一座座裡程碑的一年。

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搭載新一代載人飛船的長徵五號 B 火箭首飛成功，為之後太空人常駐的天宮空間站和載人登月打下基礎。

而「天問一號」的發射，則開啟了我國星際探索的新徵程。

關於「天問一號」，你需要知道的 7 個冷知識

何為「天問」

其實早在 4 年前，國家航天局就宣布重啟火星探測計劃，並在 2020 年自主發射首顆火星探測器。

不過直到今年 4 月 24 日，國家航天局宣布，中國行星探測任務被命名為「天問」系列，火星探測任務才擁有了自己的名字 ——「天問一號」，未來我們還將看到前往土星、木星等行星的「天問 n 號」。

值得一提的是，4 月 24 日正是我國首顆人造衛星「東方紅一號」發射 50 周年的日子，選在這一天公布「天問系列」頗有傳承的意味。

「天問」這個名字則來自古代著名詩人屈原的長詩《天問》，在 2000 多年前屈原就對天地分離、日月星辰發出了一系列天問。

▲ 圖片來自：微博 @more_space

今天，中國航天人正在用「天問系列」來深入蒼穹，來解答屈原「九天之際，安放安屬？」的天問。

中國星際探測任務的標識也有著獨特寓意，這個 logo 由多個字母「C」組成，有著中國行星探測（China）、國際合作精神（Cooperation）、深空探測進入太空的能力（C3）等含義。

我們現在看到火星探測任務名稱和任務標識，其實都是面向全球徵集的。共收到了 35912 個投稿中，最終在 327 多萬人參與的網絡投票中誕生。

面向大眾徵集命名這也是 NASA 一貫的做法，比如著名的火星車「勇氣號」和「機遇號」的名稱，就是通過小學生徵文比賽誕生的。

▲ 勇氣號.

這種方式的重要意義在於，可以在徵集過程中向公眾科普航天知識，讓普羅大眾也能參與到專業度極高的航天任務中。

錯過這次發射窗口，要再等 26 個月

這個 7 月，發射火星探測器的國家不止中國，上周阿聯首顆火星探測器「希望」號已經升空，再過幾天美國的「毅力號」和「機智號」也將踏上火星之旅。

之所以各國都擠在這段時間奔向火星，因為現在正值火星探測的發射窗口，如果錯過，下一次就等到到 26 個月之後了。

這和地球與火星的公轉周期有關，因為兩顆星球的公轉速度不同，相對距離在在不斷變化，最近時有 5500 萬公裡，最遠時超過 4 億公裡。每隔約 780 天太陽、地球和火星才會處在一條直線上，這時地球距離火星距離最近，也就是所謂「火星大衝」。

不過，探測器並不是在「火星大衝」時發射的。而現在的探測器也不可能從兩點之間的最短直線飛往火星，而是要通過一個叫做「霍曼轉移軌道」(Hohmann transfer orbit) 的橢圓飛行軌道抵達。

「霍曼轉移軌道」是目前探測火星最節省燃料，也是最高效的一條飛行路徑，這一路線同樣需要太陽、地球和火星處於相對合適的位置，但並不是在連成一線時，周期同樣是 26 個月左右。

按照這個飛行軌跡，今年發射火星探測器的需要飛行 7 個月左右才能抵達火星。根據航天領域專家邢強博士計算，天問一號將於 2021 年 2 月 11 日，也就是大年三十當天被火星引力俘獲，並在明年 4 月 23 日開始開始著陸火星。

中國最強火箭「胖五」

人類所有的太空探索，如果離開運輸火箭都是罔水行舟。可以這樣說，運輸火箭的能力基本和一個國家航天實力劃等號。

而在過去的火星探索中，各國基本都用了上了自家最強的火箭，比如美國的「宇宙神 5 號」火箭和俄羅斯的「質子 - K」火箭。

中國也不例外，這次搭載「天問一號」上天的，就被稱為「胖五」的長徵五號遙感四火箭。

▲ 圖片來自：新華社

之所以叫「胖五」，因為這是中國直徑最大的一支火箭，直徑芯級達到 5 米，此外還要捆綁 4 枚 3.35 米助推器，是個體重 869 噸的「大胖子」。

正是因為太胖了，「胖五」不能再像過去的火箭一樣通過鐵路運輸，因為這已經超過鐵路橋洞的直徑，只能改由兩艘運輸船從海路抵達發射場。

「胖五」提升的不只是尺寸， 8 臺液氧煤油發動機和 4 臺氫氧發動機，賦予了它國產火箭最猛的動力，起飛時的推力可以達到 1000 多噸。

此外液氧和液氫兩種推進劑分別要零儲存在零下 183 ℃ 和零下 253 ℃條件下儲存，這枚火箭又被稱為「冰箭」。

▲ YF-100K 發動機.

這樣的動力和體積給了「胖五」我國史上最強運載能力，它在近地軌道運載能力為 25 噸，直接在現役國產火箭基礎上提升了 2.5 倍以上。

雖然這比不上現役最強運輸火箭重型獵鷹火箭，但已經邁入了國際一線行列。目前美俄的主力火箭，運輸能力也主要集中在 20-30 噸級別。

▲重型獵鷹火箭.

要實現這麼多「之最」，「胖五」的設計也異常複雜。全箭共使用了十幾萬個零部件，採用了自主研發的 247 項核心關鍵技術，設計量和製造量是過去長徵火箭的 3.5 倍以上。

「胖五」的出世並不順利，在 2017 年長徵五號遙二火箭發射失敗後，中國航天人經歷了兩年多至暗時刻，直到去年 12 月才讓長徵五號遙三火箭成功將實踐二十號衛星送入預定軌道。

▲長徵五號遙三運載火箭發射。圖片來自：新華社

「胖五」對於在中國航天的意義不僅在這次火星探測任務，之後的嫦娥五號和天宮空間站，沒有「胖五」這個量級的火箭根本想都不用想。

人類航天史上的創舉

雖然中國在火星探測領域上仍是一名追趕者，但起點卻非常高。天問一號這次將完成一項人類航天史上的創舉，在一次發射中同時完成「繞落巡」」三大任務。

所謂「繞落巡」，簡答來說要讓一顆衛星繞著火星飛行，同時讓一個著陸器降落到火星上，並排出一輛火星車在巡航。

這三項任務其實早在幾十年前就已經有國家實現，但都是分多次完成，從來沒有哪個國家可以在一次任務同時實現，一旦實現就是航天史上一個新的裡程碑。

不可否認，這一方面是因為我們站在了巨人的肩膀上，美蘇過去對火星的探索讓火星的地貌、氣候等被了解，但更離不開我國在航天技術上的進步。

一旦這次任務成功，中國將成為繼美國後，世界上第二個獨立掌握火星著陸巡航探測技術的國家。

決定成敗的「黑色 7 分鐘」

登陸火星之所這麼難，最大的挑戰其實是著陸過程的「黑色 7 分鐘」。

據中國科學院院士 、航天科技集團科技委主任包為民介紹，天問一號著陸火星主要分為氣動減速、傘系減速、動力減速、著陸緩衝 4 個階段，歷時 7-8 分鐘。

天問一號在進入大氣層時，要將速度從 4.8 公裡 / 秒在 5 分鐘內減速到 460 米 / 秒，而且還要精確控制與大氣層的角度，角度太大會因為與大氣摩擦導致過於高溫，角度太低則無法進入。

接著降落傘就要打開了，在 90 秒內將速度降至 100 米 / 秒以下。如果風速太大可能也會導致著陸失敗，可對於這個風險我們只能聽天由命了。

當著陸器距離火星地表 3-5 公裡時，就可以把降落傘扔掉，啟動反推發動機，拋掉大底和背罩，露出著陸平臺和火星車，逐步減速到 3.6 米 / 秒。

最後 100 米，著陸器要自主檢測避開障礙物，尋找安全的著陸地點。在與火星接觸的瞬間依靠四條著陸腿來緩衝和吸收最後的衝擊，保證平穩著陸。

以上幾個階段，只要某一個環節出現問題，就可能前功盡棄，用全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩的話來說：

每個環節都必須精準無誤，其難度不亞於在巴黎打一個高爾夫球要落到東京的一個洞裡。

此外由於地球和火星距離過於遙遠，會存在 20 分鐘左右的信號延遲。著落的全過程要由天問一號自主完成。

自從 1960 年人類首次發射火星探測器以來，一共 15 次嘗試在火星著落，只有 8 次成功著陸，這也讓火星收穫了「探測器墳場」的稱號。

讓我們祝福「天問一號」吧。

中國首輛火星車

如果順利著陸，火星車就會從天問一號的著落器的肚子中釋放出來，經過一個滑梯駛向火星，在這片紅色大地上留下自己的痕跡。

這個火星車的外形和電影《機器人總動員》中的機器人瓦力有幾分，方形的臉有兩隻方形的眼睛，還有展開的四片深藍色太陽能電池板。

在動輒零下幾十度的火星，這輛火星車一般在氣溫舒適的午後工作，同時儲存電能。同時它還有面對威力地球 12 級颱風颱風強 6 倍沙塵暴。美國的火星車就曾因為沙塵暴而故障。

天問一號火星車設計壽命為 90 個火星日，但實際能服役多久不好說。比如設計壽命同樣是 90 天的火星車機遇號，卻因為沙塵暴吹開了太陽能電池板的塵埃得意繼續工作。

最終機遇號在火星上工作了 15 年，以秒速 1 釐米在火星表面行駛了超過 45.16 公裡，創下了火星車的行駛距離記錄。

到火星上幹什麼

我們為什麼要花費大量的人力物力將天問一號送上天不只是證明我國的航天實力，還要進一步探索火星。

這次天問一號共攜帶了 13 臺探測儀器，分別肩負著不同的任務。

其中軌道器的 7 臺儀器，負責探測火星的地形地貌、巖石分布、氣候變化。其餘 6 臺儀器則放在火星車上，探測火星地下土壤的成分和分布，並搜尋水冰信息。

這些探索將進一步為我們揭開火星的面紗，可能會給火星的演化過程、是否存在過生命等問題上給出更全面的答案。

人類探測火星 60 年，在失敗中前進

人類對火星進行精密天文觀測的歷史可以追溯到 16 世紀， 丹麥天文學家布第谷・布拉赫在哥本哈根附近的汶島建立西方首個大型天文觀測基地，對火星等行星進行觀測，後來普勒和伽利略望遠鏡等更精密的設備觀測火星。

不過人類向火星發射探測器也要從 60 年前開始，1960 年蘇聯發射的首顆火星探測器就以失敗告終。

據統計，目前為止人類一共 44 次向火星發起挑戰，成功和部分成功的任務僅有 23 次，完全成功率只有 43%。而中國首顆火星探測器，也在 2011 年隨著俄羅斯火箭發射的失敗而折戟。

不過人類航天史的奇蹟就在這樣一次次失敗中前進，就像 SpaceX 的座右銘：

大膽假設一個幾乎不可能完成的目標，永不退縮、低頭，跨過每一道阻礙。

馬斯克計劃在 2024 年將太空人送上火星完成，並在 2050 年之前將 100 萬人移民火星，最終讓人類成為「多維星球物種」。

在這看似天方夜譚的設想，經過 SpaceX 一次次航天裡程碑和各國航天技術不斷突破後，已經從「不可能變為看起來可能，並在有生之年實現。」

▲ SpaceX 載人航天首飛.

到那時，我們會像科幻小說《火星編年史》作者雷・布雷德伯描繪的那樣，我們在飛船上看著逐漸遠離的地球：

整個地球也只不過是一顆沾染泥巴的棒球，被人投擲出去，愈飛愈遠；此時，你開始感到孤寂，漫步在蒼穹的綠茵中，朝向一個無從想像的地點前進。

而中國航天人未來的目標，正是這樣的星辰大海，就像中國科學院院士所說歐陽自遠的：

中國有能力飛得更遠，我們也應該飛得更遠。我們要探測整個太陽系，我們要向太陽系的星辰大海挺進，這就是我們的目的。