發射成功！關於天問一號的疑問和誤區都在這裡了

出品：科普中國

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

2020年7月23日下午，我國首個自主的火星探測任務「天問一號」從海南文昌發射場，搭乘長徵五號遙四火箭順利發射升空，奔赴火星。

△長徵五號遙四點火升空。拍攝：Tea-tia

這樣的時候，想必關於天問一號的科普是全網鋪天蓋地目不暇接。考慮到這時候講太細了反而不太能get到重點，所以這期的目標就儘量簡單地讓大家一文了解關於天問一號的整體情況吧。

01 天問一號包括哪些？「繞著巡」三件套

天問一號火星探測任務是個大家族，包括：環繞器、進入艙（著陸架）和火星車三件套。

△天問一號三件套。素材來源：CNSA

環繞器帶著著陸巡視組合體抵達火星附近，進入艙帶著火星車進入大氣層，火星車在火星表面巡視探測。不過，環繞器對火星車的意義不止於「帶一程」，它還會持續為火星車提供通訊中繼。

△一點土味示意圖，盡力了

02 從地球到火星：最短最快抵達？想得美！

每26個月，地球上會有一小段時期特別適合發探測器去火星，事實上，人類六十年火星探測史上，絕大多數探測器都是在這樣的「火星發射窗口」出發的。

最近的這個火星發射窗口就是今年（2020年）7-8月，不只是我國的天問一號，NASA的毅力號火星車（計劃7月30日發射），阿聯的希望號（已在7月20日發射）都選在這個窗口發射。

很多人直覺上會以為，這樣的「時機」特殊之處在於能讓探測器最快抵達火星，或者說用最短的時間、以最近的路程抵達火星。但恰恰相反，火星探測器優先選擇的是一條更加漫長和遙遠的旅途（也就是「地火轉移軌道」）——因為對大多數不載人的探測器來說，路上多花點時間根本不是事兒，但燃料卻是「無價之寶」，在火箭運力一定的情況下，探測器需要消耗的燃料越少，就越能多帶點其他有用的東西，比如帶更多科學儀器，進而有更多科學產出。

一言以蔽之：又省燃料又路程短又快，不存在的。魚與熊掌不可兼得。

有賴「胖五」的運力加持，發射後的天問一號可以一次性獲得足夠大的速度，能被直接送入地火轉移軌道。

就是這樣一個環繞太陽，能和火星軌道交會的橢圓軌道（圖為標準霍曼轉移軌道）▼

△探測器發射和抵達時地火相對位置。改編自：NASA

而如果火箭運力不足以讓探測器達到足夠高的速度（軌道）的話，探測器就需要先在地球繞上幾圈（被送入地球停泊軌道），再通過自己消耗燃料點火一點一點加速（抬升軌道），最終蹭進地火轉移軌道。你看，火箭給力的話，不僅能發更重的探測器，帶更多東西，而且還能幫探測器省更多燃料。

地球停泊軌道中轉的典型代表：印度曼加裡安號▼

△印度曼加裡安號軌道：先經過地球停泊軌道的抬升，再進入地火轉移軌道。來源：ISRO

探測器在地火轉移軌道飛行一段時間後就能與火星自然「相遇」，途中無需一直消耗燃料，僅僅在擇機進行幾次點火修正軌道時消耗少量燃料即可。換言之，在火星發射窗口出發，從地火轉移軌道飛向火星，這是掌握物理規律的地球人總結出的儘可能節省燃料的一條路線，代價則是需要花費很長的時間，飛很長的路途。

△探測器經地火轉移軌道與火星「交會」的示意圖，這樣的發射時機每26個月出現一次。注意三點：1）發射時並不是地火距離最近的時候；2）並不是最省時間或者最短路程；3）這是探測器儘可能省燃料的路徑。來源：NASA

不過，前面的圖裡其實只是地火轉移軌道中最省燃料的一種情況——霍曼轉移軌道。探測器與火星交匯時探測器剛好飛過半個橢圓，這時候探測器和火星的速度方向相切，入軌和軌道機動所需的燃料最少。霍曼轉移軌道路上一般需要花費6-11個月。

那你說我願意多花點燃料，想再快一點，路程短一點，可不可以？可以。如果探測器在初始階段有更高的速度，進入一個更大的橢圓軌道，那麼就可以提前與火星交會，這就是快速轉移。如果將來我們有載人火星任務，那麼燃料相比於人就沒有那麼重要了，我們會更傾向於更快抵達的方案。

△霍曼轉移 vs. 快速轉移，大小沒有按比例。繪製：©haibaraemily

按目前公布的信息來看，天問一號的地火轉移之旅需要在路上花費約6個半月（算是很快的了），於2021年2月抵達火星附近。

03 抵達火星附近之後做什麼？

天問一號計劃在一次任務中實現「環繞、著陸、巡視」三大目標，首先需要完成的就是「環繞」。待到2021年2月，天問一號在抵達火星附近之後需要通過「剎車」減速（近火制動），被火星引力捕獲，進入環火星軌道。

不過，天問一號並不會在入軌之後立刻分離著陸裝置，而是和NASA的海盜號任務相似，讓環繞器先經過一段時間的火星停泊軌道探測，實際考察了著陸區之後再釋放著陸裝置，可以說是非常謹慎了。

△天問一號會在火星停泊段對著陸區進行進一步考察。改編自：參考文獻 [1]

經過2-3個月的在軌運行，調整好軌道，確認了著陸區狀況之後，天問一號環繞器將在2021年4月之後釋放著陸巡視組合體。

04 「恐怖七分鐘」？對，也不對

從進入火星大氣層，到著陸火星表面，探測器需要經過一段艱險異常的路程。天問一號的著陸巡視組合體也必須經歷這段嚴酷的考驗。

人們常常把這段路程成為「恐怖七分鐘」甚至「死亡七分鐘」，但其實不一定。

對的地方在於：恐怖確實是恐怖的。著陸過程不僅複雜艱險，而且由於信號延遲和屏蔽，無法得到地面站的支援，一切都要靠探測器自主完成。迄今為止的火星著陸任務近一半折戟於此。

不一定的地方在於：不一定是七分鐘。

事實上，目前的火星著陸任務絕大多數是抵達火星後直接著陸的，即使是歐空局的痕量氣體軌道器（TGO），也是抵達火星後先扔下斯基亞帕雷利著陸器，然後才進入環火星軌道的。這就意味著，這些著陸任務在進入火星大氣層的時候速度更大，著陸過程所需的時間也更短。

典型的「恐怖七分鐘」案例洞察號，進入火星大氣層時速度約5.5 km/s▼

△洞察號著陸時序。漢化自：[2]

但並不是所有的火星著陸任務都這樣。如果是先減速進入環火星軌道，然後再分離著陸的話…顯然，著陸任務進入大氣層的速度會降低不少。以NASA的海盜號任務為例，海盜號是先環繞器進入環火星軌道，對著陸區進行了一個多月的考察之後，才擇機釋放的著陸器。在這種情況下，海盜號著陸器進入火星大氣層的速度是4.6 km/s，比洞察號低了16%。這段著陸過程花了多久呢？大約10分鐘 [3]。

△海盜號著陸時序。來源：NASA《海盜號任務手冊》[3]

那同樣採用先環繞器入軌，再擇機釋放著陸裝置的天問一號呢？按目前公布的時序來看，天問一號著陸巡視組合體進入大氣層的速度約4.8 km/s，整個著陸過程大約需要8分鐘。

這是天問一號的「恐怖八分鐘」▼

△來源：果殼

05 著陸在哪裡？

天問一號最初選了2個備選著陸區，有趣的是也和兩艘海盜號（Viking 1和Viking 2）很像，分別是1區（克律塞平原）和2區（烏託邦平原） [1]。

△來源：參考文獻 [1]

根據天問一號項目組最近在《自然·天文》上發表的任務介紹，目前進一步擬定的著陸區是2區（烏託邦平原）[4]——和NASA的洞察號、毅力號任務相對比較近（注意：不是火星車行駛可達的那種近啊別誤會！）。

不過，具體的著陸區還要等到環繞器實際打探過一番才會最終確定，還要再等等啦。

06 天問一號，探測什麼？

環繞器攜帶7種科學儀器，火星車攜帶6種科學儀器。注意，這裡說的都是「科學」儀器，事實上探測器還會攜帶諸多工程儀器，例如避障相機、監視相機、慣導裝置等等。

環繞器科學儀器位置▼

△（天線展開狀態未顯示）

火星車科學儀器位置▼

△火星車高約1.85米，重240公斤。已經盡力還原了orz，接下來出新的資料還會完善的。參考資料： [4, 5]

這其中有些我們在嫦娥任務裡就接觸過的「老朋友」，例如玉兔號和玉兔二號搭載的次表層雷達（測月雷達），不過玉兔（二）號的兩種頻率雷達在尾部和底端，而天問一號火星車的兩種頻率雷達都在前端（總有一種一個沒剎住車會戳到自己的錯覺orz）；也有一些我們沒有見過的新盆友，例如天問一號火星車上的成分探測儀，這是一個和好奇號化學相機相似的「雷射筆」，通過高能雷射燒灼遠程探測物質成分（老帥了）。

有機會接著安排一期詳聊一下每個儀器~不然這期寫多了你們又不看了…

整理匯總一下，就是從火星空間環境、到表面、到次表層、到內部結構都一網打盡▼

△還是很全面滴

火星車計劃開展約90個火星日的巡視探測；而環繞器則計劃開展約1個火星年（約2個地球年）的環火星科學探測。不過在此之前，我們下一個迎來的激動時刻還是抵達火星和「剎車」減速進入環火星軌道（近火制動）啦。

一步一步來,總之，六個半月後，火星再見！

參考文獻

[1] Ye P J, Sun Z Z, Rao W, et al. Mission overview and key technologies of the first Mars probe of China. Sci China Tech Sci, 2017, 60: 649–557, doi: 10.1007/s11431-016-9035-5

[2] What to Expect When InSight Lands on Mars

http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2018/mars-insight-landing-preview.html

[3] NASA |Viking Press Handbook

https://solarsystem.nasa.gov/missions/viking-1/in-depth/

[4] Wan, W. X., Wang, C., Li, C. L., & Wei, Y. (2020). China’s first mission to Mars. Nature Astronomy, 4(7), 721-721.

[5] 李春來，劉建軍，耿言，等. 中國首次火星探測任務科學目標與有效載荷配置[J]. 深空探測學報，2018，5（5）：406-413.