你所不知的「天問一號」

2020年7月23日12時40分左右，長徵五號遙四運載火箭搭載我國首枚火星探測器「天問一號」在在文昌航天發射基地發射升空，舉世矚目。

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。

發射火星探測器的地點

眾所周知，目前我國已建成四個衛星發射中心，各個發射場承擔的航天發射任務卻各有不同，酒泉創建最早，神州天宮全部都在這裡發射，太原發射場主要是風雲系列等資源類衛星。西昌主要發射通信衛星如北鬥另外還有嫦娥，近些年新建的文昌基地是長徵五號的發射場，未來中國的空間站及探月返回都要從這裡開始。之所以選擇這裡，其實背後大有深意。

首先，由於地球的自轉以及自轉軸的存在，所以單位時間內地球的不同地方所走的距離是不同的，也就是線速度不同。其中越靠近赤道，線速度越大，所以有坐地日行八萬裡的說法；而越靠近極地，線速度越小。

火星探測器為了更節省燃料，自然也會利用地球赤道的線速度，這是因為線速度越大，對發射器的推力也越大，相當於把火星發射器「甩出去」了。

天問一號的發射方向是向東發射，這是因為地球是自西向東轉，向東發射能夠藉助於地球的自轉，節省燃料。

為什麼我們要探測火星？

火星是太陽系內與地球環境最接近的行星，類似地球的晝夜交替與季節變化，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。因此，在未來，火星幾乎是太陽系內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。

火星地貌

為什麼今年7-8月多國扎堆發射火星探測器？

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，在火星與地球距離最近時，這種天文現象也叫做「火星衝日」。火星衝日並不是年年都會有，而是每隔26個月會出現一次。但是火星衝日並不是人們發射火星的最佳時期，這是因為雖然此時的距離最近，但是此時火星探測器無法借力，所耗費的燃料較多。

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。最近的這個火星發射窗口就是今年（2020年）7-8月，不只是我國的天問一號，NASA的毅力號火星車（7月30日發射），阿聯的希望號（7月20日發射）都選在這個窗口發射。所以，今年才出現扎堆發射火星探測器的情況。事實上，人類火星探測史上，絕大多數探測器都是在這樣的「發射窗口」出發的。

霍曼轉移軌道

一次發射實現「繞著巡」

「天問一號」主要由軌道器、著陸器、巡視器三個部分組成，總質量約5噸，並預計於明年2月份抵達火星。「天問一號」火星探測任務的最大亮點是通過一次發射實現火星環繞、著陸和巡視三項任務，即一次完成「繞著巡」。這在人類火星探測史上是前所未有的。

天問一號三件套（素材來源：CNSA）

採用這種「一舉三得」的探火方式，起點高、效益高，但挑戰大，目前只有美國完成過「一舉兩得」的探火方式。如果成功了，我國將在深空探測能力上實現跨越式發展，成為世界上第三個在火星著陸、第二個在火星巡視的國家。

至今，人類共實施了44次探火活動，其中完全成功的探測任務只有19次，成功率約43%；即使算上部分成功的，也僅僅只有23次，成功率約53%。所以，火星被稱為「探測器墳場」。失敗的主要原因是火星距離遠、環境新，因此需要攻克一系列難關，每個環節都不能出現閃失，對於中國「天問一號」火星探測器來說更是如此。

為此，我國採取了多項新措施、新技術來應對挑戰。

例如：若想成功進入霍曼轉移軌道，對火箭的運載能力和入軌精度有很高的要求。月球探測器進入地月轉移軌道所需的速度是10.9km/s，而火星探測器進入霍曼轉移軌道的速度至少要達到第二宇宙速度（11.2km/s），發射火星探測器要用大推力運載火箭把探測器加速到至少第二宇宙速度，直接進入地火轉移軌道飛往火星，否則就需要消耗探測器自身燃料和較多的飛行時間來加速，從而會影響探測器壽命。印度在發射「曼加裡安」火星探測器時，就是由於運載火箭推力小，所以「曼加裡安」只能採用後一種方案，多花了很多時間和燃料才抵達火星。

我國將採用「長徵五號」遙四運載火箭發射「天問一號」火星探測器。由於「長徵五號」的地火轉移軌道運載能力是5噸，而「天問一號」的質量為5噸，所以「長徵五號」是可以把「天問一號」直接送入地火轉移軌道的。

天問一號發射

攻克「恐怖7分鐘」難關

探測器在火星表面軟著陸是火星探測中最難的，要經歷「恐怖7分鐘」，先是氣動減速段，然後是傘降減速段，接著是動力減速段，最後是著陸緩衝段。這幾個階段都必須嚴格按程序執行，否則「滿盤皆輸」。

如果一切順利，「天問一號」探測器預計於明年2月左右到達火星引力勢場內，切入火星軌道，被火星捕獲。這個捕獲的階段非常關鍵：在切入火星軌道時，如果切入點離火星太近，探測器可能會墜毀；如果太遠，探測器可能無法被引力捕獲而掠過火星。

若能成功切入火星軌道，再經過多次調整，環繞器就可以進行環繞探測了。這時我們將迎來本次火星探測任務的第二個階段，也是最大的難點——火星著陸。火星探測器需要將4.8km/s的超高速，減到火星著陸時的0，這個過程只有7分鐘左右，也被稱為「恐怖7分鐘」。著陸器何時開始減速進入火星大氣、進入的姿態、進入的角度都需要精準的控制，然而問題在於，我們對於火星上的環境，尤其是大氣狀況的了解非常有限。再加上地火距離遙遠，從地球發送到火星的單程無線電信號，單程延時為20分鐘左右，難以依靠地球指揮著陸。

2018年洞察號著陸計劃表

「天問一號」任務計劃採用的減速方式將分為四個階段進行。第一個階段是氣動減速段，探測器會踩下「急剎車」，在大約290秒內將速度從4.8 km/s迅速降低到460 m/s。接下來探測器將打開降落傘，在大約90秒後，速度會降到約95 m/s。隨後進入第三個階段——動力減速段，探測器的反推發動機開始工作，在80秒內將速度降到3.6 m/s以下。當探測器距離火星表面約100 m高時，就進入了最後的著陸緩衝段，探測器準備開始懸停避障。此時探測器的速度已經很慢了，探測器會自主觀察火星表面，快速計算出最佳著陸點。最終它將水平移動到該點上方，伸出「四條腿」，並在穩定著陸後展開舷梯釋放火星車。

為了安全著陸火星，2019年11月14日，我國在位於河北懷來亞洲最大的地外天體著陸綜合試驗場，成功模擬了著陸器在火星重力環境下（火星重力加速度約為地球的1/3）懸停、避障、緩速下降的過程，對其設計正確性進行了綜合驗證，也為火星探測任務的如期實施奠定了堅實的基礎。

由於火星環境複雜、惡劣，探測器在著陸後也不是萬事大吉。例如，因為火星探測器遠離太陽，它所受到的太陽輻射強度大大減弱；而且火星上溫度很低，赤道上的平均溫度只有-23°C，這些對火星車的能源系統、溫控系統等提出了很高的要求。

據我國火星車專家賈陽撰文介紹，我國火星車除裝有光電轉換效率較高的4塊太陽電池板外，在其頂部還裝有一個像雙筒望遠鏡樣子的設備，叫作集熱窗，它可以直接吸收太陽能，然後利用一種叫作正十一烷的物質儲存能量。白天，火星溫度升高，這種物質吸熱融化，到了晚上溫度下降，這種物質在凝固的過程中釋放熱能，這樣效率可以達到80%以上。

探索人類未來「第二個家園」

火星是太陽系中與地球最相似且距離較近的行星。例如，火星的一天約為24.6小時，與地球十分接近；火星自轉軸與公轉軌道面傾角約為65°，所以存在四季變化，這也和地球相似；火星大氣很稀薄，以二氧化碳為主，壓力大約只有地球的1%；雖然火星表面溫度平均僅為-63℃，但夏天陽光直射區域溫度可以上升到約20℃，赤道附近的極端最高溫度則有可能達到30℃左右。

因此，從全人類的高度講，探測火星、了解火星的起源和演化，有助於人類進一步認識地球和太陽系的形成和演化，預測地球的未來變化趨勢，促進人類對地球生命乃至太陽系的起源和演化的研究，以及了解人類在宇宙中的地位和最終命運。

了解火星本身也很重要。因為大量跡象表明，火星以前很可能與目前的地球一樣，只是經過幾十億年的演化才變成大氣層稀薄、溫度較低、水源枯竭等今天這個樣子。所以不少天文學家推斷，火星可能是地球的未來。因此，深入探測、了解火星，對研究地球的演變，防止它變成人類難以生存的家園具有促進作用。

從更長遠看，地球將來很有可能會遭受地外星球的撞擊而毀滅。因此有些科學家認為可先把火星改造成適合人類居住的第二個家園，然後向火星移民。為此，現在就必須逐漸全面而深入地了解火星才行，為改造火星、建造火星基地奠定基礎、做好準備。所以，探測火星意義重大。

「天問一號」使用大量「黑科技」

近些年來，隨著科技、經濟的飛速發展，我國已在月球探測方面取得了長足的進步，為技術難度更大的火星探測奠定了堅實的基礎。通過探測火星，能深化我國對火星乃至太陽系的科學認知，推進比較行星學等重大問題研究，掌握火星的第一手信息，加速我國重大原創性的空間科學成果問世，為人類全面而深入認識火星做出自己的貢獻，使我國由火星知識的使用國逐步變成火星知識的產生國。

「天問一號」的環繞器攜帶了7臺科學載荷，可用於對火星開展全球性、普查性綜合探測，並為巡視器提供中繼通信鏈路；火星車攜帶了6臺科學載荷，可用於在著陸區開展區域性、精細性巡視探測。所以，從科學上講，「天問一號」本次將對火星的大氣成分、氣候、土壤、地質結構、水資源分布、電磁場、電離層、地形地貌等多項因素進行詳細考察與分析，接下來的「天問二號」還將從火星上採集樣品返回地球。

天問一號火星車

另外，通過「天問一號」探測火星，不僅能極大拓展我國對火星的認知，而且可以牽引和帶動我國航天和相關高科技技術的快速發展。這次火星探測起點很高、難度極大，必須採用許多新技術才行，因此它帶動了不少新技術、新材料和新器件的發展，促進了大批創造性的發明和技術應用。

據悉，在「天問一號」火星探測器中，就使用了我國獨立自主研發的多項「黑科技」，例如，火星車使用的熱控材料是新型保溫材料——納米氣凝膠，它很輕，隔熱性能很好。這些新技術、新材料和新器件等反過來又可用於國計民生，為國家經濟社會發展、人類生活質量改善提供源源不斷的創新活力。