發射前往火星，天問一號八大闖關之旅正式開啟！

出品：科普中國

製作：太空精釀

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

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！

圖片來源：航空物語微博

兩千年前，屈原在長詩《天問》中發出了&34;和&34;的曠世之問。兩千年後，中國航天人要用實際行動給出解答：行星探測計劃&34;啟動，而執行第一站任務的就是去往火星的天問一號。

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&34;的完美下一站。

地球和火星對比（圖改自：NASA）

為徵服這個熒熒如火的星球，中國航天人進行了數年的努力。如今，天問一號的闖關之旅才剛剛開始。

第一關：必須抓住的發射窗口

跟火星比起來，地球距離太陽更近，環繞太陽一周需要約365天，火星則需要約687天。這種&34;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：在780天內地球繞太陽運行了2周49度角，恰好超過了火星1周，二者距離達到一次最近。

地球和火星的軌道周期、會合周期示意圖（圖片來源：作者繪製）

人類航天雖然經歷了數十年發展，但運載火箭依然以利用化學能為核心，遠達不到科幻電影中無視星際旅行距離&34;的設定。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（圖片來源：作者繪製）

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。例如， 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5億美元的損失。

第一關，天問一號已經完美通過！

第二關：強力的運載火箭

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（圖片來源：作者繪製）

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。

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。

近幾年世界各國火星探測任務的主力火箭（圖片來源：作者提供）

第二關，&34;託起天問一號飛向火星的夢想已經實現！

第三關：霍曼轉移軌道

1925年，德國航天工程師瓦爾特·霍曼博士出版了圖書《Die Erreichbarkeit der Himmelskörper》，在書中提出了著名的霍曼轉移軌道。他或許沒有想到，這個理論成為後來人類幾乎所有火星探測任務的基礎。

霍曼轉移軌道的理論認為：在地球出發時（假設地球火星均為圓軌道），探測器需要達到32.7千米/秒的速度，超過地球本身的速度（29.8千米/秒），加速。在抵達火星時，探測器速度為21.5千米/秒，低於火星運動速度（24.1千米/秒），再次加速。不過由於火星引力加速和大部分任務目標是環繞火星等原因，&34;實際上是火星附近制動工作，以切入環繞火星軌道。飛行過程中，為應對外力可能造成的軌道偏移，也僅需推進系統短暫工作微調，絕大部分時間自由飛行。

火星探測霍曼轉移軌跡示意圖（圖片來源：作者繪製）

整體上，霍曼轉移方案非常簡單，軌道是半個橢圓，連結了地球軌道和火星軌道，全程在6-11個月時間。它能夠最大限度節省推進劑，最大限度減少操作，是人類火星之旅的最優方案。

第三關，天問一號已經在切入霍曼轉移的路上！

第四關：深空導航制導與控制

茫茫深空，漫漫長路，此前各個探測任務採用的霍曼轉移軌道普遍在4-7億千米的長度，6-11個月的旅程。天問一號的軌跡耗時7個月左右，預計於2021年2月中才能抵達火星，需要走過的路已經遠遠超過了中國此前的航天任務。我們熟悉的天宮和神舟任務距離地球表面僅400千米，北鬥星座距離地球表面僅20000-36000千米，嫦娥距離地球38萬千米。但它們相比天問一號而言都可以用&34;來形容，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號航天測量船也為天問一號保駕護航（圖片來源：我們的太空）

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，要知道，天問一號距地球最遠的時候，地球和火星距離將達到4億千米，這個距離單程都需要光速飛行22分鐘！

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！

第四關，地球上的中國航天人和太空中的天問一號，正常通訊中！

第五關：&34;，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&34;，登高望遠的&34;，觀天測地的&34;和自由移動的&34;。其中，&34;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。

人類目前有四種火星探測任務示意圖，未來在計劃突破第五種：採樣返回（圖片來源：作者繪製）

其中，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，意義不言而喻，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。

一般而言，火星探測任務都會採取&34;、&34;、&34;分開的形式以降低難度。即便如此，幾十年來人類探測火星的任務成功率僅有一半左右。而這次天問一號的選擇是：&34;！它包括了環繞器、著陸器和巡視器三個部分。

第五關，極度複雜的火星探測任務正在路上！

第六關：切入軌道，靜待時機

經過近7個月的長途旅行，2021年2月中，火星終於出現在眼前，天問一號也將被火星引力俘獲。環繞器此時要執行最為關鍵的一步：制動進入環繞火星軌道。為最大限度節省推進劑，天問一號的三個部分將會整體進入環繞火星的大橢圓軌道中，沒必要追求更消耗推進劑的圓形軌道。

這個方案不同於進入21世紀後的歐洲兩次類似任務。它們都是抵達火星後立即分離，著陸部分並不進入環繞火星軌道。這樣雖然可以大大降低環繞器的制動變軌壓力，但代價也是慘烈的：火星快車號和微量氣體探測器任務的著陸部分均宣告失敗。重要原因之一在於給著陸留下的選擇窗口太短，因而天問一號並不採用這種方案。

天問一號：前部為著陸器/巡視器組合體，後部為環繞器（圖片來源：中國航天局）

在隨後環繞火星的約2個月內，是天問一號的環繞器最為繁忙的時間。它需要逐漸開啟自身的7個有效載荷，認真研究火星表面的情況，反覆確認著陸地點和最優著陸窗口。一旦確認後，二者分離，環繞器繼續在軌工作，著陸器攜帶巡視器開始最為艱難的火星著陸之旅。

第六關，環繞器是重中之重！

第七關：恐怖七分鐘！

由於距離過於遙遠，地球和火星雙向通訊延時將長達幾十分鐘。且火星著陸時間一般僅在7-8分鐘左右，地面工作人員不可能人工控制複雜的火星著陸過程，這一切全要靠著陸器自己完成。

火星有大氣，但又特別稀薄。這成了航天人又愛又恨的因素：一方面，可以利用大氣氣動減速，使用降落傘；另一方面，必須找準進入角度，過大著陸器會過熱焚毀，過小會打水漂一樣滑入深空，根本無法著陸。更重要的是，火星大氣的密度還太低了，甚至還不足地球大氣層的1%，即便最大極限地利用了火星大氣減速，依然無法把速度降到理想狀態，要想著陸火星必須自帶反推火箭。

讓我們來大概描述一下天問一號著陸的過程吧：

剛開始，通過整體和隔熱大底氣動減速約5分鐘，著陸器速度從約5千米/秒減速到數百米/秒，已到極限，隔熱大底的溫度已升到2000餘攝氏度。此時，巨大降落傘展開，在不到100秒時間內把速度進一步降低到約100米/秒。隨後，隔熱大底、降落傘和支撐結構先後脫離著陸器。被燒蝕得不成樣子的隔熱大底將會墜向火星表面，成為天問一號最先抵達火星表面的部分，也算是它&34;的&34;。

天問一號著陸器最後著陸階段藝術效果圖（圖片來源：中國航天局）

大戲剛剛開始，著陸器自帶的反推火箭開始全力工作，逐漸降低速度。著陸器先是在火星表面數十米的高度懸停，底部所有儀器開啟，認真篩查地表情況，最後確認著陸地點。認定後，最終緩慢軟著陸到火星表面。

第七關，&34;在火星表演著陸藝術。

第八關：巡視器出發，開機工作

&34;、&34;、&34;的串聯任務終於進行到最後一步。著陸器穩定著陸後，將會與環繞器聯絡，確定工作狀態，上傳記錄的全部數據，傳回地球。一切確認後，著陸器將放出導軌，巡視器開機，積累到足夠能量後，行駛抵達火星表面，開始工作。

天問一號著陸器和巡視器藝術效果圖（圖片來源：中國航天局）

探測火星不僅是工程任務的突破，更是行星科學領域的突破。除了常規的通訊、能量來源（太陽能帆板）、支撐結構、動力系統等部分外，天問一號整體上攜帶了13種科學載荷，其中7個在火星上空的環繞器上，6個在降落火星表面的巡視器上。它們共有五大科研目標，主要涉及火星空間環境、地表形貌特徵、土壤表層結構等研究，將給中國帶來火星的第一手資料。

工作狀態的火星車藝術效果圖（圖片來源：中國航天局）

第八關，美麗的火星，天問一號將看到你的真面目！

結語

人類探測火星60年，勝率不到一半，這是一個高風險，卻是代表著人類最美麗最絢爛航天夢想的存在。天問一號，一次實現&34;的工程目標和五大科學目標，也必將是極大的挑戰。我們祝福它在餘下的闖關過程中，一切順利！

圖源：中國航天局

天問一號不僅是我國火星探測任務的開始，也宣布了我國長遠行星探測任務的開啟。火星，只不過是下一站。在可以預見的將來，天問系列不僅會探測火星，還會去地球最近的鄰居金星，還有可能挑戰極限，前往更大難度的太陽系內側水星和外側四大氣態行星（木星、土星、天王星、海王星）和小行星、矮行星等。希望天問一號火星探測任務一切順利，也希望天問系列帶著中國人的夢想飛遍寰宇。

最後，讓我們暢想一下《下一站火星》中的未來圖景吧：所有人都在等待徵服火星的那一天。那時人類可以被定義為一個全新的物種：一種來自地球的可以跨行星生存的生物。走出地球似乎是我們從渺小邁向偉大的必經之路。火星就是下一站，那裡總是熒熒如火，令人嚮往。