中國航天再創歷史！首次自主火星探測正式啟程

北京時間23日中午12時40分，長徵5號運載火箭搭載「天問一號」探測器從海南文昌衛星發射中心發射升空，這也是中國發射首次火星探測任務。

經過不到1小時的飛行，「天問一號」探測器成功進入預定軌道，在與火箭分離之後，獨自沿著拋物線軌道飛往火星。預計經過7個月的飛行，「天問一號」探測器將到達火星附近。

人類對火星的探測任務起始於 20 世紀 60 年代，截至目前共實施了 44 次活動，其中美國和蘇聯/俄羅斯進行了絕大多數的探測任務。探測方式主要包括「繞」「落」「巡」三種。但在一次任務中就完成環繞火星飛行、火星軟著陸以及火星表面巡視，在世界航天史上都是絕無僅有的。

這也正是「天問一號」要進行的歷史性嘗試。

此次前往火星的「天問一號」將完成5大科學任務：

1、研究火星形貌與地質構造特徵。探測火星全球地形地貌特徵，獲取典型地區高精度形貌數據，開展火星地質構造成因和演化研究。

2、研究火星表面土壤特徵與水冰分布。探測火星土壤種類、風化沉積特徵和全球分布，搜尋水冰信息，開展火星土壤剖面分層結構研究。

3、研究火星表面物質組成。識別火星表面巖石類型，探查火星表面次生礦物，開展表面礦物組成分析。

4、研究火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵。探測火星空間環境及火星表面氣溫、氣壓、風場，開展火星電離層結構和表面天氣季節性變化規律研究。

5、研究火星物理場與內部結構。探測火星磁場特性。開展火星早期地質演化歷史及火星內部質量分布和重力場研究。

中國在火星探索上的首次嘗試是在 2011 年，當年中國與俄羅斯、歐洲在火星探索領域開展了國際性合作，中國開發的「螢火一號」火星探測器搭載在俄羅斯的福布斯-土壤探測器當中，計劃一同前往火星，進行環繞探測任務。

但遺憾的是，由於後續俄方的探測器在與火箭分離後未能成功變軌，「螢火一號」和福布斯－土壤探測器最終未能脫離地球軌道，於次年 1 月在太平洋墜毀。

2016 年，中國正式啟動自己的火星探測計劃。而 2020 年的時間窗口將是進行探測任務的絕佳時間點。從位置和距離來看，每隔 26 個月的時間，火星就會到達距離地球最近的地方，這也就成為了火星探測的時間窗口，時間約為一個月。因此，錯過了一個時間窗口就需要再等上兩年多。

在成功發射之後，「天問一號」預計將在飛行約7個月時間後到達火星附近，通過一系列制動和變軌開始探測任務。

天問一號

「天問一號」是由火星環繞器和著陸巡視器所組成，共裝載了13個有效載荷。

要去到遙遠的火星，實現一系列的變軌、制動以及長期的探測任務，整個天問一號探測器的質量超過了5噸，其中主要包括了環繞器和著陸巡視器。相比之下，阿聯在20日率先發射的希望號探測器質量不到2噸，將在火星軌道上進行環繞探測。

為了完成環繞探測科學任務，天問一號環繞器配置了中解析度相機、高解析度相機、環繞器次表層探測雷達、火星礦物光譜分析儀、火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀共7種有效載荷，並配備一臺環繞器載荷控制器對載荷進行控制和管理，對火星開展全球性、普查性探測。

在未來的探測任務中，環繞器將在中繼通信軌道上為火星車提供中繼通信鏈路，兼顧開展科學探測，運行90個火星日後，進行軌道調整，開展科學探測，併兼顧火星車中繼通信。

環繞器主要完成以下5項科學任務：

1、火星大氣電離層分析及行星際環境探測。

2、火星表面和地下水冰的探測。

3、火星土壤類型分布和結構探測。

4、火星地形地貌特徵及其變化探測。

5、火星表面物質成分的調查和分析。

著陸巡視器由進入艙和火星車組成，進入艙完成火星進入、下降、著陸任務。為了完成巡視探測科學任務，火星車配置了火星表面成分探測儀、多光譜相機、地形相機、火星車次表層探測雷達、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀共6種有效載荷，對火星進行遙感探測和區域精細探測。通過集成一體化設計的載荷控制器對載荷進行控制和管理。

火星車和著陸平臺組合體與環繞器分離之後，將要自主完成減速和降落的全過程，因此著陸巡視器配備了降落傘和反推發動機，選擇安全地點降落則需要平臺上的控制系統和推進系統共同配合完成。

圖 | 火星車 1：1模型

火星車最引人矚目的就是豎立在前端的桅杆，頂端的方形設備就像機器人的腦袋。

桅杆足有60多公分， 這個桅杆就是踏上火星之後，需要率先展開的部件。頂端的方盒子上還有火星車的眼睛——全景相機和多光譜相機，能看前面的地形地貌，也能幫助火星車避開障礙，還能對前方的礦物質成分進行識別。

在火星車上，還裝有4個「大翅膀」，這正是太陽能電池板。除此之外，火星車還配有探測雷達、磁場探測儀和氣象測量儀，可以對火星進行全方位的探測。

此外，因為火星上接收太陽的光照要比地球和月球要小的多，翅膀則可以根據太陽光的方向來調整太陽帆板的角度。

火星車的行進速度為200米/小時，而火星車的輪子每轉動一圈，對中國火星探測來說就是積累到全新的數據。

火星車對火星進行遙感探測和區域精細探測，主要完成以下4項科學任務：

1、火星巡視區形貌和地質構造探測。

2、火星巡視區土壤結構（剖面）探測和水冰探查。

3、火星巡視區表面元素、礦物和巖石類型探。

4、火星巡視區大氣物理特徵與表面環境探測。

飛行7個月+恐怖7分鐘

地球離火星不遠，畢竟它已經是地球為數不多的鄰居之一。但火星距離地球其實也很遠，探測器的飛行距離需要達到幾億公裡，在那樣的距離下，從地球向火星發送一個信號，以光速運行的前提下，也需要約23分鐘才能到達火星。而我們知道，在小小的地球上，光速一秒就可以繞地球超過7圈。

在「天問一號」坐著長徵五號升空，探測器在地球的家門口與長徵五號分離，就正式開啟了漫長「追」火星的道路，最終經過約7個月的拋物線飛行來到火星附近。

飛行途中需要進行多次調整和修正，對軌道的精度有著極高的要求。有人將其認為，就像跨越太平洋的高爾夫。

捕獲：探測器在近火點附近實施制動，實現被火星捕獲，進入周期約為10個火星日的環火橢圓軌道。再通過一系列的調整，進入周期約為2個火星日的橢圓停泊軌道。這時候，探測器就需要開始找到預定的著陸地點。

分離：裝著火星車的著陸器與環繞器在軌道上正式分離，環繞器隨即進行軌道調整，進入中繼通信軌道，繼續完成環繞火星的探測工作。

環繞器在中繼通信軌道上為火星車提供中繼通信鏈路，兼顧開展科學探測，運行90個火星日後，進行軌道調整，進入遙感使命軌道，開展科學探測，併兼顧火星車中繼通信。

再入：分離之後的著陸巡視器將進入火星大氣，通過氣動外形、降落傘、反推發動機等多級減速和著陸緩衝，降落於火星表面，火星車出動，開始巡視和科學探測。

這聽起來簡單的過程幾乎是探測器奔向火星過程中最困難的環節之一，這個著陸的過程也被成為恐怖七分鐘。

在遠離地球的情況下，探測器和地球的完成最簡單信息傳輸的時間都需要超過15分鐘。而整個減速、著陸過程僅為7分鐘。意味著探測器需要完全依靠自己的能力完成著陸的全過程，地球上的人則只能等待成功與否的消息。

歷史上共有15次任務進入火星大氣，僅有8次成功著陸並順利開展探測工作。

據「天問一號」探測任務總設計師張榮橋介紹，在這恐怖7分鐘裡，裝著火星車的著陸器在進入火星大氣層，同時進行氣動減速，將速度從2萬多公裡/小時下降至每秒數百米；著陸器打開降落傘，通過降落傘的拉力在約90秒鐘的時間裡將速度進一步降到5米/秒；反推發動機開啟，在 約80秒內將速度降至3.6米/秒，最後在離火星表面最後100米處懸停，火星車離開承載平臺，完成著陸目標，在火星表面開展巡視科學探測。

只有到了這裡，「天問一號」火星探測器的使命才正式開始。人類歷史上，還從未有任何一個火星任務，在首次發射時即進行繞、落、巡，這給「天問一號」帶來了歷史性意義，同時也帶來了巨大的風險。

火星探索的國際合作

正如前文所說，人類對火星的探索還處在起始階段。幾十個小小的探測器顯然無法滿足人類對火星的好奇。

就目前來說，成功到達火星的探測器幾乎都能帶來全新的數據，像是完成拼圖一般，不斷完善人類對火星的認知。

阿聯在發射希望號火星探測器之前也表示，探測器獲得的所有數據都將與全人類共享。

中國科學院院士、被稱為嫦娥之父的歐陽自遠曾表示，火星探測的科學問題主要有三個方面：其一是探測火星上的生命活動信息，期待在此領域有所突破，其主要包括火星上現在生命的信息、過去是否存在過生命、火星生命生存的條件和環境等；其二是火星本體科學的研究，為研究火星積累資料，主要包括火星磁層、電離層與大氣層的探測與環境科學，火星地形地貌特徵與分區，火星表面物質組成與分布、地質特徵與構造區劃，火星內部結構、成分、內稟磁場探測等；其三是探討火星的長期改造與今後大量移民建立人類第二個棲息地的前景，為人類社會的持續發展服務。

非盈利組織火星學會創始人、美國著名航空航天工程師羅伯特•祖布林（Robert Zubrin）在最近的一個分享當中表示，探索火星應該由更多的國家完成，也許不是全球所有國家都參與，但也應該是多數國家都參與其中。

與此同時，越來越多私營公司的出現將帶來一場太空革命，做到很多以前只有政府能夠完成的事情。他認為人類對火星的探索將會是一種奧林匹克式的競爭，有著奧林匹克精神，看看誰能最大限度地推進人類的前沿，而所有人類都將從中受益。