仟葉教育：星辰大海，永不止步

2020年7月23日12時41分，我國首次火星探測任務，「天問一號」啟航，正式開啟自主探測火星之旅！

「天問」的徵途

「遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？」兩千多年前，屈原以一首《天問》 抒發了古人對宇宙萬物的好奇和追問。

今有「天問一號」升空，對這份「問卷」標註了當代科學的一種回答。同時「天問」也是火星任務，行星探測共有的名字，是中國人探尋更遙遠天際的開始。

從地球出發到達火星，天問一號要經歷4億公裡的旅途。有人打了個比方：相當於從巴黎擊出一隻高爾夫球，準確落入東京的一個洞裡。迄今為止發射的44個火星探測器，只有一半成功「進洞」。可見此行的難度！

著陸巡視組合體的工作過程：著陸火星、分離火星車、火星車開展巡視探測。| CCTV

而「天問一號」將攜帶環繞器（軌道器）、著陸架和火星車三個大傢伙，完成「環繞」、「著陸」、「巡視」火星的三大任務，這在世界航天史上是絕無僅有的。

想要一次把3個大傢伙運上火星，首先必須解決的難題就是運輸工具——火箭。要知道，相比於40萬公裡外的月球，火星可遙遠得多得多。

圖源NASA

不過，直線距離的對比，對我們理解火箭的發射難度其實並沒有直接的意義，因為不管是去月球還是去火星，探測器都不是直 線飛過去的，而是通過火箭的運力把探測器送入一個大橢圓軌道，讓探測器飛著飛著自然而然和火星「相遇」——這就是傳說中的「霍曼轉移軌道」。

從地球到火星的霍曼轉移軌道，這樣的發射窗口每26個月一次。凡是跟你們說火星發射窗口是地球和火星距離最近

之所以選擇這樣的方式飛往火星，完全是因為對我們可憐弱小又無助的地球人來說，相比於珍貴的火箭燃料，時間可以說是極其廉價——為了儘可能節省燃料，在路上花上個一年半載根本不是事兒。

歷經坎坷，「胖五」就位

儘管路程不等於直線距離，但去往更遙遠的火星，依然需要我們有更強大的火箭。

那就是——長徵五號。

長徵五號——胖五就位

江湖人稱「胖五」的長徵五號火箭，經歷過真正的至暗時刻。

· 2016年11月3日，長徵五號遙一火箭雖然二級出了些狀況，但還算順利完成任務，將實踐十七號衛星送入地球靜止軌道。

· 2017年7月2日，長徵五號遙二火箭發射失敗，帶著實踐十八號衛星一同葬身太平洋，也直接導致原計劃2017年11月發射的嫦娥五號月球採樣返回任務延期。

· 之後，就是在黑暗中漫長的摸索，尋找故障原因，不斷測試和驗證。

908個日日夜夜，這黑暗如此漫長。

直到2019年12月27日，長徵五號遙三運載火箭成功將實踐二十號衛星送入預定軌道。歷經坎坷，王者歸來。

長徵五號遙三發射升空。這份沉甸甸的成功背後，是無數航天工作者們兩年多的嘔心瀝血，是無數中華兒女的堅韌和拼搏 | 我們的太空 史悅 呂炳宏

2020年1月19日，長徵五號遙四火箭的氫氧發動機完成了總裝出廠前的最後一項驗證：100秒校準試車——標誌著這臺發動機性能達到預定要求，即將轉入火箭總裝階段。

長徵五號遙四，就是負責發射天問一號的火箭。

在7月17日，「長徵五號」遙四運載火箭已經被垂直轉運至海南省文昌航天發射中心的發射區。此刻，「胖五」已經帶著「天問一號」，前往紅色的火星。

4億公裡外的訊息傳遞

5噸重的天問一號探測器成功升空，但這才僅僅是個開頭。

火星最遠時距離地球4億公裡，是地月距離的1000倍。而距離越遠，不僅信號傳輸時間越長，更重要的是信號衰減也越劇烈。相比於月球，遙遠的火星顯然為地球與探測器之間的通訊帶來了更大的挑戰。

與火箭和探測器保持通訊，或者說「測控和數傳」，可以拆分為三個方面的問題：1）跟蹤（火箭、探測器的）位置和速度；2）向探測器發送指令；3）接收探測器傳回的探測數據。

而這三個方面都需要強大的地面站，或者說數目更多、分布更廣、口徑更大的地面天線，這不是一朝一夕可以完成的。

事實上，中國從嫦娥任務開始就已經在一步一個腳印地組建深空測控和地面接收網了。

2013年，佳木斯66米和喀什35米天線深空站正式建成並投入使用；2017年底，阿根廷35米天線深空站建成並正式投入使用。

至此，中國已經初步組建了自己的深空測控網。

全球主要深空測控設施分布。截止目前，我國深空測控網由中國中國西北部喀什地區35米深空站、中國東北部佳木

在此基礎上，為了火星和接下來更遠的深空探測任務，中國還在繼續強化測控網的建設，向著更大、更多、更廣的目標邁進。

2019年10月底，西安衛星測控中心位於喀什的3臺35米天線完成吊裝。

另一邊，在探測數據的接收方面，2020年4月25日，中國科學院國家天文臺在天津武清的70米天線（GRAS-4）吊裝成功，預計到2020年10月投入使用，可以在天問一號抵達火星之後加入數據接收工作。

任探測器飛得再遠，都能「抓得住」，「收得到」，這是我們邁向星辰大海的前提和保障。

著陸火星：挑戰「探測器墳場」

即使順利飛到火星附近，地面站也沒和探測器失聯，對於一個著陸任務來說，其實才只成功了一半。

這一點也沒有誇張。從1960年人類第一次嘗試發射火星探測器至今，一共有15次火星著陸任務成功進入了火星大氣層，但只有8次任務成功著陸並順利開展探測工作——近一半的失敗率讓這顆紅色星球至今還保有「探測器墳場」的稱號。

截止2020火星發射窗口之前的火星著陸版圖，括號裡的是抵達年份。數據來源：MOLA，製圖：haibaraemily

著陸火星比著陸月球要危險得多，這很大程度上要怪火星有大氣層。儘管火星大氣層很稀薄，表面大氣壓只有地球的6%，但也足以形成一個「屏障」，讓毫無防備的探測器「未達火星先燒壞」了。

總之，相比於簡單直接的月球著陸任務，火星著陸任務多了很多複雜的步驟。例如著陸組件得先被塞進一個隔熱盾裡保護起來，降落傘要能打得開撐得住，減速到一定程度隔熱盾還要打得開拋得掉…… 而這些都得靠探測器自主判斷和完成。

更複雜，也往往意味著更多不確定性。任何一個操作環節出現問題，都可能會讓探測器無法成功著陸。這對於第一次嘗試著陸火星的中國來說，顯然有太多太多巨大的挑戰。

探索火星，我們已經啟程，這註定是一條充滿挑戰的荊棘之路，但也是中國想要邁向行星，去往更遠的星球所必須拿下的起點。

星辰大海，永不止步！

孩子們：未來，還有更多未知等待你們去探索。

星辰大海，並非只是一場夢。希望你敢於追夢，去擁抱宇宙的浩瀚！