中國火星探測能不能成功？有賴於這三個關鍵
2020-07-24 我是科學人
製圖：王亞清
「天問一號」正式官宣後，在「任務目標」的制定上一直非常剛猛，揚言要一口氣完成其他國家分幾次都不一定能成功的火星入軌、著陸、巡視一條龍……
聽得很多常關注航空航天領域的網友忍不住提心弔膽：這可太敢說了。
和之前的航空航天發射任務不同，在面對「天問一號」時，網友們言辭間溫柔了許多，關心它「飛得高不高」的少了，關心它「飛得累不累」的多了。甚至還有人手動幫「天問一號」降低難度係數：咱們先定一個小目標，能順利入軌就算成功，著陸火星算血賺，萬一實現巡視，就夠我們吹30年！
為什麼就連一向「苛責」網友都忍不住勸團隊「冷靜」了？
還不是因為發射火星探測器太難了！
一部人類探測火星失敗史
有人曾經戲稱，如果一定要給火星探測寫一部簡史的話，那就是——
1960年，蘇聯率先提出了火星探測計劃，並在這一年的10月10日和10月14日連續發射了兩個火星探測器——「火星1A號」和「火星1B號」。
蘇聯人給「火星1A號」定的任務是：探索火星和地球之間的行星際空間，並且在飛越火星的軌道上拍攝幾張火星表面照片。可惜，發射後的第3級火箭點火失敗，這顆探測器剛剛飛達120千米的高度就報廢了。
4天後發射的「火星1B號」探測器也沒逃過失敗的命運，還沒升空，火箭引擎就直接爆炸。
1962年10月24日，蘇聯發射了第3枚火星探測器——「斯普特尼克22號」，這枚探測器在進入地球軌道時破碎。
莫斯科航天博物館展出的「斯普特尼克」號全尺寸模型
1963年3月21日，蘇聯不甘心地又發射了「斯普特尼克23號」，這枚探測器倒是飛往火星了，可是它途中失聯了。等人們再發現它的信號時，它已經飛向了太陽的軌道。
1964年11月5日，不甘寂寞的美國發射了「水手3號」，可是當探測器穿過地球大氣層的時候，因為一個保護盾沒能推出，「水手3號」也失敗了。
直到1965年11月28日，美國發射的「水手4號」才成功飛掠火星，拍攝到第一張火星的近距離照片。
「水手4號」
上火星，怎麼這麼難？
從1960年人類第一次嘗試發射火星探測器至今，只有15次順利進入了火星大氣層，只有8次成功著陸並且順利開展了探測工作。將近50%的失敗率讓火星成了一顆不折不扣的「探測器墳場」。
截至2020年火星發射窗口前的火星著陸版圖，括號裡的是抵達年份。
上火星之所以這麼難，主要是這個過程必須要邁過三道大關。
這第一關，就是要把火星探測器送出地球，讓探測器能和火星相遇。
現在比較主流的說法是，今年10月14日7時25分，地球會移動到火星和太陽中間，和火星的距離最近。畢竟火星探測器發射後還要「飛一會兒」，那麼今年的7月至8月之間，就是向火星發射探測器的「最佳窗口期」。
把握好「窗口期」只是第一步。接下來還要經歷「發射到繞地軌道——繞地軌道點火——被火星捕獲進入環繞火星軌道」三個環節。這其中，最容易栽跟頭的就是最後一環。
不管是去月球還是火星，探測器都不可能直線飛過去，而是通過運載火箭的運力把探測器送到一個名叫「霍曼轉移軌道」的橢圓形軌道裡，讓探測器自然而然和火星「相撞」。
從地球到火星的霍曼轉移軌道
看似原理簡單，但裡面卻涉及到大量運算。
比如，在飛行器進入軌道前，要測算軌道的高低，從低軌道進入高軌道時要進行兩次加速，反之要進行兩次減速。在這個過程中，需不需要額外的燃料來補償、選用多大推力的引擎……都要提前算好。稍有不慎，火星探測器就會和火星擦肩而過，無緣於茫茫宇宙了。
第二關，是讓火星探測器成功著陸。
這一關相當於整個火星探測任務的「天險」，為了保證著陸成功，著陸器必須在7分鐘之內把自己每秒4.8公裡的速度速降至0。考慮到火星和地球之前的距離比較遠，數據傳輸很可能出現延時，著陸器必須具有很強的自主能力。
形象點來說，完成火星著陸的難度，相當於「在巴黎打一顆高爾夫球，還得讓球落進東京的一個洞裡」。
根據現有的爆料資料來看，「天問一號」會把這7分鐘分為4個減速段，先通過氣動減速，用290秒左右把著陸器速度降到每秒460米。然後打開探測器的降落傘，大概用90秒的時間，將速度由每秒460米降到每秒95米。
緊接著，留出80秒的時間，用反推發動機進行動力減速，把速度降至每秒3.6米。理想狀態下，這個階段結束，著陸器和火星地面的直線距離就只有100米了。「天問一號」也會進入著陸緩衝階段，在這100米的距離上懸停一段時間，觀察一下地面適不適合降落，調整一個比較好的降落位置。
一切順利的話，就可以安全降落了。
不過，切記切記，上述的一切都建立在最理想的狀態下。如果降落過程中出現任何突發情況，沒有辦法達到既定的速度要求，那我們的火星探測器就很可能就「有去無回」了。
熬過了前兩關，火星探測任務最難的兩個環節算是完成了。一切正常的話，被送上火星的巡視器會開始運轉，完成規定的巡視任務。
當然，這個階段也有風險。比如，因地球和火星距離太遠，巡視器和地面失聯了；再比如，火星上風沙比較大，遮蔽了巡視器的太陽能板，導致整個巡視器沒法運轉……
歐洲的小獵犬2號，由於太陽能板沒有完全展開，遮擋了通訊天線，導致無法與地面建立聯繫，任務失敗。
據說，地球和火星之間的轉移軌道有5億公裡，這5億公裡，有些國家用了60年都沒有順順利利走完。
希望「天問一號」，可以飛得更遠。
《我是科學人》紀錄片由長安信託特約贊助。
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