中國歷史性一天:火星探測器「天問一號」發射成功,領先美國

編者按：本文來自微信公眾號「智東西」（ID:zhidxcom），作者：信儀，36氪經授權發布。

智東西7月23日消息，12時41分，我國搭載「天問一號」火星探測器的長徵五號火箭成功發射，這是我國完全自主實現火星探測的第一步！

我國此次火星探測任務可謂是前無古人、後無來者，將首次實現火星探測器發射「繞、落、尋」一步到位，這是美國、俄羅斯，包括前蘇聯都沒有做到的。

▲搭載天問一號的長徵五號火箭發射

火箭發射的威力之大，連攝像畫面都受到了波及。

我國的火星探測器發射任務「天問」的名稱取自屈原的長詩《天問》：

遂古之初，誰傳道之？

上下未形，何由考之？

「請問遠古開始之時，誰將此態流傳導引？天地尚未成形之前，又從哪裡得以產生？」寓意探求科學真理徵途漫漫，追求科技創新永無止境。

中國自主的火星探測任務自2010年開始啟動，2018年火星探測任務飛控團隊成立，十年的堅守換來了中國火星探測任務第一步成功邁出。

下面來看「天問一號」到底牛在哪？中國的火星探測計劃經歷了怎樣的過程，全球主要科技強國又為何選擇今年密集發射火星探測器。

01 首次火星探測器發射「繞、落、尋」一步到位

這次發射任務由長徵五號火箭，也就是我們說的「胖五」完成，因為火箭質量越大，其載荷能力越強。這次天問一號的總重量達到了5噸，火星軌道飛行器重量3175公斤，都需要「胖五」把它們送上太空。

▲長徵五號火箭「胖五」

此次火星探測是我國行星探測階段的首次任務，也是深空探測領域全新的裡程碑。這次我國將「環繞、著陸、巡視」三個目標一氣呵成，這一挑戰前所未有。

天問一號探測器由軌道器、著陸器、巡視器三個部分組成，將一步完成繞、落、巡三步，這將是世界上首次探索火星即完成軟著陸的任務。

▲火星探測任務示意圖

天問一號在發射後，將由運載火箭送入地火轉移軌道，飛行至7個月抵達火星，經歷火星捕獲、火星停泊後，著陸巡視器與環繞器分離，進入火星大氣。

▲天問一號發射後進入地火轉移軌道，著陸巡視器與環繞器分離

然後，在著陸巡視器成功著陸後，會將「體內」差不多一個小型高爾夫球車大小的的火星車吐露出來，火星車駛離著陸平臺，搭載的科學載荷開機，展開像蝴蝶翅膀一樣的4塊太陽板，開始火星表面巡視探測，幫助調查火星的地層、結構以及凍土或冰的存在。

▲著陸巡視器成功著陸後，火星車駛離著陸平臺

緩慢脫離著陸器後，太陽能火星車預計將在火星上運行至少 90 天，並使用軌道飛行器作為通訊中繼機。軌道飛行器將繼續運行大約一火星年（約 23 個月）。

▲中國2020年火星探測計劃預定著陸區 圖源：格致論道

此外，天問一號將使用我國獨立的深空網，西安衛星測控中心喀什深空站、佳木斯深空站將為其提供全程測控支持。相比探月任務，對火星探測器最遠將近 4 億公裡的探測距離，以及近 7 個月的地火轉移時間，對測控通信系統而言將是前所未有的考驗。

▲天問一號探測計劃

02 火星車是什麼樣的？要完成什麼目標？

我國第一臺火星車的高度有1.85米，重量達到240公斤左右。火星車上搭載了6種有效載荷，包括地形相機、多光譜相機、次表層探測雷達、表面成分探測儀、表面磁場探測儀、氣象測量儀，為完成探測任務提供保證。

▲第一臺火星車

同時，為了適應火星的地表環境，火星車還具備環境感知、障礙識別、局部路徑規劃、多輪運動協調控制等功能。

中國首次火星探測任務工程副總指揮、探月與航天工程中心主任劉繼忠表示, 火星車在火星上依靠太陽能來獲得能源，它的設計壽命為3個火星月，相當於約92個地球日。期間，火星車將對火星的地質、環境、氣象等進行探測，人們可直觀地了解火星和地球環境的異同。

▲火星車上搭載的各種儀器

這次火星探測任務計劃將完成6個科學目標，分別是：

1、火星全球和著陸器地形地貌、物質成分的探測與研究

2、火星全球和著陸器土壤厚度、成分及其分布

3、火星全球與著陸器次表層地下水體的分布

4、火星重點地區（著陸候選區）的詳查

5、火星磁層、電離層、大氣層及其氣候特徵

6、火星物理場（磁場、重力場以及內部結構）探測

相對於載人航天和月球探測任務，我國首次自主的火星探測具有太空飛行器平臺新、探測領域新、實施周期長、測控模式複雜、軌道控制要求高及應急處置難度大等特點。

針對全新的任務，北京飛控中心於2018年初就組件了火星探測任務飛控團隊，今年以來，他們還針對長徵五號B火箭首飛、首次火星探測、嫦娥5號和空間站等重大任務並行準備。

2020年4月24日，中國行星探測任務被命名為「天問系列」，首次火星探測任務被命名為「天問一號」，後續行星任務依次編號。

03 各國為何鍾情於「扎堆」探索火星？

我們也知道最近各國都在「扎堆」進行火星探測，這是為什麼呢？

原因在於以現在的航天水平來看，火星距離地球的距離實在是太遠了，探測火星要比探測月球在實際操作上難得多。

要知道人類經常光顧的月球的距地距離為38萬公裡，而火星地球之間最近的時候距離也遠達5500萬公裡，最遠的時候更是要達到4億公裡。因此火星探測是一個非常講究時機的活動。

平均每15~17年會有一次火星大衝，屆時太陽、地球、月球、火星會規律排列在一條直線上，火星和地球的距離會進一步縮短。

▲模擬火星衝日圖像

而最近的一次火星大衝的時間是2018年7月27日，已經過了，而下一次的火星大衝要等到2035年9月16日，這一日期又太遠。

所以退而求其次，火星衝日每隔26個月就會出現一次，而對於地球來說，發射火星探測器的最佳窗口期在火星衝日前兩個月，最近的窗口期也就在今年的7月中旬到8月中旬，在這段時間，從地球出發的太空飛行器才能沿著最節省燃料的軌道到達火星。

此前，在這一窗口期已經公布了四大火星探測器的發射計劃，分別是中國天問一號、美國毅力號、阿聯希望號（由日本 H-2A 火箭發射），以及歐盟及俄羅斯的羅莎琳德·富蘭克林。

但由於種種原因，歐盟及俄羅斯的 ExoMars 2020已經於三月中旬決定推遲到 2022 年發射，從2020的火星探測器發射小組「退群」了，不得不說，這已經是ExoMars 計劃第六次推遲了。

此前，中國還曾想在2009年搭載俄羅斯的聯盟號運載火箭發射火星探測器，但由於戰鬥民族的火箭一次次出問題，中國也轉而決定自主完成火星探測的全套流程。

這個小組中首先出發的是「土豪國」阿聯的希望號（阿拉伯語 al-Amal），它在今年的7月20日的凌晨5點58分成功發射。預計探測器的到達時間會在2021年的2月。

▲阿聯的希望號火星探測器

為了保證研發的進度和發射速度，阿聯選擇了具有強大航天實力的美國和日本作為合作夥伴，通過日本三菱重工研製的H-IIA火箭將自己的火星探測器運往太空。

希望號探測器由阿聯和美國科羅拉多大學波德分校聯合研製，重 1.35 噸，大小與一輛轎車相仿。由兩個太陽能發電板供電，總功率 1.8 千瓦，這和家用電水壺的功率差不多。

探測器搭載有直徑 1.5 米的高增益天線以及若干低增益天線。此外，探測器利用恆星跟蹤定位儀來進行導航。

此外阿聯還選擇了美國深空網（DSN）對火星探測任務的希望號太空飛行器進行跟蹤、導航與通信而建立的地基全球分布測控網。

▲希望號運行過程展示

在運轉火箭方面，日本的H-IIA火箭直徑4米，高度53米，屬於捆綁式兩級火箭。它的運載能力與我國的長徵三號乙火箭相當。

希望號上攜帶了三種先進的科學儀器，分別是EMIRS:阿聯紅外光譜儀、EXI：阿聯勘探成像儀以及EMUS：阿聯紫外線光譜儀。這些儀器的搭載主要是為了研究火星大氣做準備。

而如果中國此次任務的所有流程都可以圓滿完成，中國將成為世界上首個對火星集環繞、著陸、巡視探測的國家。

天問一號發射成功後，接下來集環繞、著陸、採樣返回的天問二號也將提上日程。天問二號個除了軌道器和著陸器以及巡視器以外，還有上升器和返回艙，發射任務計劃2028至2030年執行。

04 人類探索火星的漫漫長路

從兒時的《火星奇遇記》，到「非主流」時期流行的「火星文」，再到電影《火星救援》，這個神秘的鐵鏽紅色星球——火星，一直寄託著無數人的太空夢想。

「矽谷鋼鐵俠」馬斯克是火星的「狂熱粉絲」，這位科學怪人一直在為人類移民火星做努力，此前在馬斯克SpaceX載人太空飛行器「龍飛船」成功發射後，他即刻發表推特稱：通往火星的大門已經開啟。

人類對火星歷史的追溯可以到公元前，但對火星的探測是最近60年的事情。60年間，人類共進行了47次火星探測，成功率僅有43%，而在火星上成功著陸的探測器也只有8個，因此由於火星沒收了很多人類的探測器，這個紅色星球也被人們形象地稱為「太空飛行器墳場」。

▲迄今為止人類向火星發射的探測器

但就算是這樣，人們還是依舊前赴後繼地將探測器運往火星，畢竟這個可能作為未來「人類移民最佳選擇」的神秘星球，火星的魅力實在是太大了。

人類火星探測起步於60年代美蘇的「太空競賽」，美蘇兩個大國在探測火星的旅途中完成了很多「第一次」。

▲火星 圖源：NASA

1960 年 10 月 10 日，前蘇聯向火星發射了第一枚探測器。1964年美國發射的水手4 號， 是有史以來第一枚成功到達火星並發回數據的探測器。

在1971年，蘇聯發射火星3號成為了首顆在火星著陸的探測器，儘管它只工作了20秒，但是也成為了人類探測器在火星著陸的一個重要裡程碑。

1975年8月20日美國發射的海盜1號，成為了全球首個能成功登陸火星的衛星。

在20年後，1996年，美國的火星環球偵測者號發射成功，這枚探測器持續工作了 10 年，直到 2006 年才失去訊號聯絡，它是最成功的火星探測任務之一。它利用所攜帶的一些專業儀器，進行海拔高度測量，科學家繪製了火星的地形圖。

▲火星3D地圖

進入00年代，歐盟和中國也加入了火星探測的行列中，而美國在這一時期迎來火星探測「大爆發」，在火星探測事業上遙遙領先。

2003年，美國將勇氣號和機遇好兩輛火星車送往太空，對火星進行實地考察。勇氣號在執行任務期間，曾首次找到火星上曾有水存在的證據，並從火星上拍攝到了地球的照片。而機遇號截至2018年1月25日，已在火星漫遊14年多，取得了很大的成績，並於2019年2月13日任務結束。

2007年美國鳳凰號探測器首先證實了火星上的確存在水，還找到了火星上存在碳酸鈣和粘土的線索。同年，歐洲航天局的「羅塞塔」彗星探測器靠近火星飛行，順利完成利用火星引力調整飛行速度和軌道的任務。

2007 年 6 月中俄正式籤署合作協議，中國火星探測計劃中的第一顆火星探測器螢火一號計劃於 2009 年搭載俄羅斯的聯盟號運載火箭發射，但是俄國老大哥的火箭一再出問題，中國也轉而研發自己的火星探測系統。

在10年代，印度成為了火星探測黑馬，中國也在重啟火星探測計劃。而在今天，中國終於完成了首次自主進行火星探測的第一步。

05 結語：火星探測的目標是星辰大海

火星作為距地球最近的類地行星之一，是人類最想登陸的行星，也是目前人類最有可能移居的星球。探索火星的過程，不僅僅是航天科技和深空探測水平的科技方面的巨大提升，更對人類文明的進程及探索宇宙與生命的意義有著非同尋常的影響。

天問一號任務將為中國打開火星之門，無論成敗與否，都將是人類進軍火星的一次重大飛躍，祝願這次火星探測器發射任務一切順利，圓滿成功！