「天問一號」成功發射，火星「競賽」美國迎來終極對手

2020年7月23日12時42分，伴隨著長徵5號運載火箭（胖五）的點火起飛，備受全球矚目的「天問一號」火星探測器在文昌發射場成功發射，全國人民迎來最激動人心的時刻。

長徵5號運載火箭

這是中國首次完全自主的火星探測任務，在胖五火箭的攜帶下，「天問一號」將在7個月的太空飛行後於2021年2月11日抵達火星周邊，2月21日變軌進入停泊軌道，並於4月擇機著陸火星。

「天問一號」的成功發射意味著：在火星探測領域，美國將迎來終極對手！

火星

這篇文章，我將從「人類為何執意要去火星？」、「天問一號的任務」、「火星探測簡史」、「火星探測的困難」進行介紹，並在最後對「中美阿火星探測任務」進行橫向對比，為您揭秘火星探測誰是最大贏家。

人類為何執意去火星？

很多人就問了，宇宙中的行星那麼多，人類為何對火星情有獨鍾呢？這主要有兩方面的原因。

其一，火星的環境與地球非常相似，而且人們已經在火星上發現了水和有機質，這在理論上具備了孕育生命的必要條件，所以很多科學家都預測火星上存在著火星生命。

火星上的液態水

此外，科學家們堅信，即使火星上不存在生命，目前的地理條件也足夠人類去改造成適宜人類居住的綠色星球，這在地球徹底失衡後可作為人類移居的首選星球。

還有的科學家認為，研究火星對認識地球演變具有非常重要的比較意義，因為我們還不確定火星現在的狀態是地球形成之初的狀態還是地球未來的狀態，只有理清了這層關係，我們才能清晰地思考地球和人類自身的未來。

火星地貌

其二，相較於其他行星，火星與地球的距離更近。在太陽系八大行星之中，火星也是除了金星以外，距離地球最近的行星。雖然抵達火星比抵達月球難的多，但這仍然在人類目前的航天能力之內，畢竟探測器只要在太空中飛行7個月就能抵達，相比於更遠的行星，任務周期還算合適。

正是因為考慮到這兩點，火星便成了人類走出地月系統開展深空探測的首選目標。

「天問一號」將執行哪些任務？

在了解人類為何對探測火星情有獨鍾之後，「天問一號」的探測任務就很清晰了，畢竟人類所有的探測器都是圍繞著「發現火星生命、移居火星」這兩大目標展開的。

國家航天局公布的信息顯示，我國首次火星探測任務的探測器由著陸巡視器（進入艙和火星車）與環繞器組成。

環繞器用於環繞火星軌道飛行，它攜帶了共計7臺設備，可以從火星上空觀測地形地貌、水文、大氣及磁場等。

環繞器

著陸巡視器也就是咱們平常所說的火星車，它攜帶了6臺儀器，用於對火星地面的土壤成分、水成分等進行詳細分析。

在人類探測火星的歷史上，各個國家往往都是先發射衛星完成了第一步也就是環繞飛行任務後，再發射一顆探測器驗證著陸能力，最後發射火星車進行著陸巡視，前後往往歷經數十年，而且耗資巨大。

「天問一號」著陸器

由於咱們的火星探測具有後發優勢，力求在一次發射中完成「繞、著、巡」三個任務，即對整個火星進行全球觀測、成功著陸火星，以及火星車進行巡視勘測，這在火星探測史上絕無僅有。也難怪有很多網友打趣道：

只要咱們的「天問一號」能完成其中任意一項，都算難能可貴了，如果能完成兩項，那就是巨大的成功，如果能同時完成三項任務，那足夠中國航天吹30年的了。

失敗是「火星探測史」的主線

在所有國家進行火星探測之前，必須走完的一項就是月球探測，我們完全可以把月球探測比作是「打怪升級」的過程，畢竟相比於月球探測，火星探測任務難度更大！

如果我們要撰寫一份人類的火星探測史，那麼「失敗」兩字無疑會貫穿始終。

人類目前已對火星實施了55次探測任務（美國、蘇聯、日本、歐洲），其中僅成功了24次，成功率僅43%。

在這55次任務中，包含「繞」、「落」、「巡」、「飛越」四種任務，各個任務的成功率分別如下：

也就是說，如果按照美蘇歐平均水平來算的話，如果一次性完成繞落巡的成功率僅為：81%*80%*93%*66%*83%=33%，這是一個並不樂觀的數字。

到目前為止，火星探測最成功的就是美國了，畢竟他已經實現了火星著陸探測的「終極目標」，而其他國家則沒有這麼幸運了！

火星探測難在哪？

火星探測的難度就在於它距離地球的實在遙遠，近距離約為5500萬公裡，最遠距離則超過4億公裡。

由於火星相對地球距離較為遙遠，對發射、軌道、控制、通信和電源等技術都提出了很高的要求。

畢竟，不論是長達七個月的地火飛行，還是進入火星軌道的 「剎車變軌」，以及最遠距離達4億公裡的超遠距離通信，從地球到火星的飛行之旅可要歷經八十一難！

地火轉移軌跡示意圖

困難一：著陸

而在火星探測的諸多困難中，最困難的莫過於探測器著陸到火星表面的短短幾分鐘了，由於火星著陸時距離地球上億公裡，這就導致了長達10幾分鐘的通信延時，地球工作人員沒法實時控制著陸器，而是要靠著陸器在幾分鐘內自主完成多達1000個動作的降落操作，如此高難度的「盲降」，對軟體和硬體的要求極高。

此外，著陸器要在7分鐘的時間內將時速從2萬千米降低到零，這也是整個任務的關鍵點，直接決定著任務的成敗。

火星著陸

困難二：切入火星軌道

相比月球著陸，火星著陸時探測器多了一個進入大氣層和打開降落傘的環節。

由於火星大氣層可以起到一定的減速作用，所以著陸減速需要控制得特別精準，何時進入，進入的姿態、角度等都不能有絲毫誤差。

然而，現在人類對火星大氣層的了解還比較有限，再加上測控信號延時很長，進入火星大氣層前調整姿態、角度和速度必須靠探測器自主執行。

切入火星軌道過程示意圖

在探測器切入火星軌道過程中，如果切入點離火星過遠，或者點火時間不足，則不能被火星的引力捕獲而掠過火星，如果切入點離火星太近，或者點火時間過長，則可能撞擊火星、墜毀於火星大氣層。

困難3：著陸環境

火星地面環境也會影響到探測器能否順利著陸。比如，蘇聯曾經研製的「火星2號」探測器雖然具備了登陸火星的能力，但是在著陸過程中正遇上火星表面發生大規模塵暴，「火星2號」一頭撞進火星上的盆地，本次行動以著陸器墜毀而告終。

火星沙塵暴

所以，能不能成功著陸火星，這還真得看天意！

中美阿同臺競技，天問一號實力如何？

地球距離火星最遠距離則超過4億公裡，最近距離約為5500萬公裡，這時被稱為火星衝日，這種時刻每隔26個月發生一次，而這一次窗口期正是今年7~8月份。

所以，考慮到風險、成本等因素，中國、美國、阿聯等各國火星探測計劃均集中在該時間段進行探測，如果錯過了這次機會，那可要等到2022年了（歐洲航天局和俄羅斯均計劃今年發射，但因故障已推遲至2022年）。

那麼，與美國和阿聯相比，咱們的「天問一號」實力如何呢？

下面一張圖是中國「天問一號」、美國「毅力號」和阿聯「希望號」的參數對比。

三大探火計劃對比

中國「天問一號」

首先看中國的「天問一號」，從現有資料來看，「天問一號」的探測器則重達 200 公斤，將搭載 6 臺設備，或包括遙感相機、探地雷達、多光譜照相機、雷射擊穿光譜儀，以及探測氣候和磁環境的儀器。

這些設備將幫助遠在地球的科學家探索火星環境，比如收集沙丘、冰川和火山的圖像，研究巖石和土壤成分，收集大氣數據並研究磁場和重力場。

「天問一號」的著陸地點位於火星烏託邦平原上，該處地形較為平坦適宜登陸。

天問一號著陸地點

美國「毅力號」

其次，我們再來了解一下美國的「毅力號」，美國探測器將降落在曾是湖泊和河流三角洲的傑澤羅隕石坑附近。

「毅力號」火星車基於「好奇號」設計，長3米，功率110瓦特，重1025公斤，這是美國第五次派遣火星漫遊車，它將接替已經工作了 8 年的「好奇號」前輩，肩負未來 5-10 年的火星探測任務。

它裝備了很多 「好奇號」 上已有設備的升級版，比如識別巖石成分的化學分析儀和全景攝像系統。最關鍵的是，它將專注於識別和收集巖石樣本。它還配有 2.1 米長的機械臂和 43 根試管，可以在巖石上鑽出一小段圓柱體樣本，並將其存入試管中密封保存，然後在 2031 年將巖石樣本帶回地球。

如果進展順利，這些巖石有望成為人類從火星獲得的第一批樣本，科學家可以用它們分析火星上是否存在生命。

美國「毅力號」

阿聯「希望號」

為什麼阿聯已經在7月15日在日本鹿兒島成功發射，但我將它放在最後了呢?這是因為阿聯此次只進行環繞火星的探索，沒有登陸的打算。

它的目的是圍繞火星軌道運動，觀測行星的大氣層動態，繪製首張火星氣象圖，以幫助科學家了解火星氣候和大氣層變化。為了完成任務，飛行器上攜帶了有可見光相機和紅外光譜儀，負責研究低層大氣的火星雲和沙塵暴，還有紫外線光譜儀，負責研究高層大氣。

「希望號」

按照阿聯的介紹，「希望號」是一次成功的國際合作，他們的設計過程中得到了美國NASA的技術轉讓和支持。而運載「希望號」的火箭，則是完全由日本提供。

從這三個火星探測器的參數來看，阿聯的任務最少、難度最低，美國有「好奇號」打底子，探測任務更勝一籌，而中國的「繞落巡」難度最大、看點最多：

「繞「：「天問一號」軌道器重量是同期阿聯」希望號「的2.35倍。

「落「：除了美國、蘇聯、歐空局之外，沒有成功降落火星表面的著陸器。其中持續正常工作的只有美國的著陸器。1971年，蘇聯「火星三號」著陸器只正常工作了14秒。2003年，歐空局「小獵犬」2號天線未打開，降落後失去聯繫。

「巡「：除了美國之外，迄今沒有成功運行的火星車。

如果 「天問一號」 任務最終成功，中國將成為世界上首個首次探索火星即完成軟著陸的國家，並成為繼美國之後第二個完成火星漫遊的國家。

這也就意味著除美國外，火星這片陌生的大陸將迎來一個新的強有力選手。

還是那句話，我們的徵途是星辰大海！」

我是科學驛站，華中科技大學物理學博士，同時也是一名熱愛科學、熱愛分享的科普答主，同時也是頭條科學領域優質創作者，如果我的文章有幫助到你，歡迎點讚和關注哦~