发射前往火星，天问一号八大闯关之旅正式开启

　　2020年7月23日12时41分，我国首个独立火星探测任务天问一号搭乘长征五号遥四火箭，从文昌航天发射场成功升空，下一站火星！
　　图片来源：江程杰
　　两千年前，屈原在长诗《天问》中发出了九天之际，安放安属？和日月安属，列星安陈？的旷世之问。两千年后，中国航天人要用实际行动给出解答：行星探测计划天问启动，而执行第一站任务的就是去往火星的天问一号。
　　火星是地球的邻居，二者同为岩质行星，演化与构造类似。火星上有水、稀薄空气、与地球类似的元素、小分子有机物和太阳系最壮观的山川峡谷等，是地球演化历史和未来的重要参照，更是人类梦想成为跨行星生存物种的完美下一站。
　　地球和火星对比（图改自：NASA）
　　为征服眼前这个荧荧如火的星球，中国航天人进行了数年的努力。如今，天问一号的闯关之旅才刚刚开始。
　　第一关：必须抓住的发射窗口
　　跟火星比起来，地球距离太阳更近，环绕太阳一周需要约365天，火星则需要约687天。这种不同步导致地球和火星之间距离在时刻变化，从5500万千米到4亿千米不等。从地球视角来看，二者每约780天才会合一次：在780天内地球运行了2周49度角，恰好超过了火星1周，二者距离达到一次最近
　　地球和火星的轨道周期、会合周期示意图（图片来源：作者绘制）
　　人类航天虽然经历了数十年发展，但运载火箭依然以利用化学能为核心，远达不到科幻电影中无视星际旅行距离横冲直撞的设定。因而，火星探测器的发射时间要求很苛刻，必须在每次地球和火星会合时机之前几个月、火星相对于太阳的位置领先于地球44度角左右的时候出发，瞄准611个月之后火星的位置，开启火星探测之旅。
　　20002022年地球和火星距离变化，各火星探测任务在太空中飞行的时间区间（图片来源：作者绘制）
　　由于每次地球和火星会合机会带来的理想探测窗口仅在1个月左右，探测任务如果赶不上出发，就要等待26个月后的下一次机会。这对于存在设计寿命、且有着巨大保管维护成本的探测器而言，是很难接受的。例如，NASA局长曾说毅力号火星车错过2020年78月发射窗口的代价至少是5亿美元的损失。
　　第一关，天问一号已经完美通过！
　　第二关：强力的运载火箭
　　在人类航天探索中，航天器的速度是最重要的核心。
　　三大宇宙速度是人类航天探测的三道鸿沟（图片来源：作者绘制）
　　想实现火星探测，意味着探测器不仅要突破第二宇宙速度，完全摆脱地球引力，还要在此基础上进一步加速，在抵达火星前尽力摆脱太阳（是地球质量的30余万倍）引力的巨大影响。这对探测火星的运载火箭要求极高，基本都是各国最为强力的火箭系列。即便如此，探测器占火箭总体质量的比例都在1以下，绝大部分质量都用于装载推进剂，这是人类航天梦想的巨大代价。
　　对于总重5吨左右的天问一号而言，带它前往火星的就是长征系列中最强的长征5号火箭。
　　近几年世界各国火星探测任务的主力火箭（图片来源：作者提供）
　　第二关，胖五托起天问一号飞向火星的梦想已经实现！
　　第三关：霍曼转移轨道
　　1925年，德国航天工程师瓦尔特霍曼博士出版了图书《DieErreichbarkeitderHimmelskrper》，在书中提出了著名的霍曼转移轨道。他或许没有想到，这个理论成为后来人类几乎所有火星探测任务的基础。
　　霍曼转移轨道的理论认为：在地球出发时（假设地球火星均为圆轨道），探测器需要达到32。7千米秒的速度，超过地球本身的速度（29。8千米秒），加速。在抵达火星时，探测器速度为21。5千米秒，低于火星运动速度（24。1千米秒），再次加速。不过由于火星引力加速和大部分任务目标是环绕火星等原因，再次加速实际上是火星附近制动工作，以切入环绕火星轨道。飞行过程中，为应对外力可能造成的轨道偏移，也仅需推进系统短暂工作微调，绝大部分时间自由飞行。
　　火星探测霍曼转移轨迹示意图（图片来源：作者绘制）
　　整体上，霍曼转移方案非常简单，轨道是半个椭圆，链接了地球轨道和火星轨道，全程在611个月时间。它能够最大限度节省推进剂，最大限度减少操作，是人类火星之旅的最优方案。
　　第三关，天问一号已经在切入霍曼转移的路上！
　　第四关：深空导航制导与控制
　　茫茫深空，此前各个探测任务采用的霍曼转移轨道普遍在47亿千米的长度，611个月的旅程。对于天问一号，它的轨迹耗时7个月左右，预计于2021年2月中才抵达火星，需要走过的路已经远远超过了中国此前的航天任务。我们熟悉的天宫和神舟任务距离地球表面仅400千米，北斗星座距离地球表面仅2000036000千米，嫦娥距离地球38万千米。但它们相比天问一号而言都可以用微不足道的距离来形容，这也意味着对天问一号的导航制导与控制变得异常艰难。
　　功勋卓著的远望6号航天测量船也为天问一号保驾护航（图源：我们的太空）
　　一方面，在出发阶段，需要陆基测控站和万吨级远望系列航天测量船全程保驾护航。出发后，需要庞大的深空探测天线网络覆盖整个天域，保证它在整个探测火星过程中都能跟地球有效通信，要知道，天问一号距地球最远的时候，即地球和火星距离达到4亿千米，这个距离单程都需要光速飞行22分钟！
　　另一方面，天问一号也需要自主导航和控制，精准确定自身位置和姿态。例如利用恒星敏感器把自己的姿态确定到角秒级的精度，而1角秒仅仅是1度的3600分之一！
　　第四关，地球上的中国航天人和太空中的天问一号，正常通讯中！
　　第五关：绕、着、巡，一个都不能少
　　人类探测火星60年来，共有四种任务类型：惊鸿一瞥的飞掠，登高望远的环绕，观天测地的降落和自由移动的巡视。其中，飞掠仅是在早期技术不成熟或其他任务兼职探测火星时使用，另外三种是近些年来的任务类型主力。
　　人类目前有四种火星探测任务示意图，未来在计划突破第五种：采样返回（图片来源：作者绘制）
　　其中，环绕器（轨道器）能长期环绕火星，采集海量的数据，全方位研究火星磁场、大气、重力场、水、浅层土壤、地质地貌等方面，还能起到信号中继作用，服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器。着陆器能仔细研究火星表面的各种细节，但由于着陆机构重量和自身能量限制，无法移动和自由巡视。巡视器可以随处移动，意义不言而喻，它的质量能更多集中于科研载荷，从事多地点多方面的精细研究。
　　一般而言，火星探测任务都会采取绕、落、巡分开的形式以降低难度。即便如此，几十年来人类探测火星的任务成功率仅有一半左右。而这次天问一号的选择是：小孩子才做选择，绕、着、巡，我都要！它包括了环绕器、着陆器和巡视器三个部分。
　　第五关，最复杂的火星探测任务正在路上！
　　第六关：切入轨道，静待时机
　　经过近7个月的长途旅行，2021年2月中，火星终于出现在眼前，天问一号也将被火星引力俘获。环绕器此时要执行最为关键的一步：制动进入环绕火星轨道。为最大限度节省推进剂，天问一号的三个部分将会整体进入环绕火星的大椭圆轨道中，没必要追求更消耗推进剂的圆形轨道。
　　这个方案不同于进入21世纪后的欧洲两次类似任务。它们都是抵达火星后立即分离，着陆部分并不进入环绕火星轨道。这样虽然可以大大降低环绕器的制动变轨压力，但代价也是惨烈的：火星快车号和微量气体探测器任务的着陆部分均宣告失败。重要原因之一在于给着陆留下的选择窗口太短，因而天问一号并不采用这种方案。
　　天问一号：前部为着陆器巡视器组合体，后部为环绕器（图源：中国航天局）
　　在随后约2个月的环绕火星时间内，是天问一号的环绕器最为繁忙的时间。它需要逐渐开启自身的7个有效载荷，认真研究火星表面的情况，反复确认着陆地点和最优着陆窗口。一旦确认后，二者分离，环绕器继续在轨工作，着陆器携带巡视器开始最为艰难的火星着陆之旅。
　　第六关，环绕器是重中之重！
　　第七关：恐怖七分钟！
　　由于距离过于遥远，地球和火星双向通讯延时将长达几十分钟。且火星着陆时间一般仅在78分钟左右，地面工作人员不可能人工控制复杂的火星着陆过程，这一切全要靠着陆器自己完成。
　　火星有大气，但又特别稀薄。这成了航天人又爱又恨的因素：一方面，可以利用大气气动减速，使用降落伞；另一方面，必须找准进入角度，过大会着陆器过热焚毁，过小会打水漂一样滑入深空，根本无法着陆。更重要的是，火星大气的密度还太低了，甚至还不足地球大气层的1，即便最大极限地利用了火星大气减速，依然无法把速度降到理想状态，要想着陆火星必须自带反推火箭。
　　让我们来大概描述一下天问一号着陆的过程吧：
　　刚开始，通过整体和隔热大底气动减速约5分钟，着陆器速度从约5千米秒减速到数百米秒，已到极限，隔热大底的温度已升到2000余摄氏度。此时，巨大降落伞展开，在不到100秒时间内把速度进一步降低到约100米秒。随后，隔热大底、降落伞和支撑结构先后脱离着陆器。被烧蚀得不成样子的隔热大底将会坠向火星表面，成为天问一号最先抵达火星表面的部分，也算是它蜡炬成灰泪始干的褒奖。
　　天问一号着陆器最后着陆阶段艺术效果图（图源：中国航天局）
　　大戏刚刚开始，着陆器自带的反推火箭开始全力工作，逐渐降低速度。着陆器先是在火星表面数十米的高度悬停，底部所有仪器开启，认真筛查地表情况，最后确认着陆地点。认定后，最终缓慢软着陆到火星表面。
　　第七关，刀尖上舞者的火星着陆艺术。
　　第八关：巡视器出发，开机工作
　　绕、着、巡的串联任务终于进行到最后一步。着陆器稳定着陆后，将会与环绕器联络，确定工作状态，上传记录的全部数据，传回地球。一切确认后，着陆器将放出导轨，巡视器开机，积累到足够能量后，行驶抵达火星表面，开始工作。
　　天问一号着陆器和巡视器艺术效果图（图源：中国航天局）
　　探测火星不仅是为了工程任务突破，更是为了从事科研。除了常规的通讯、能量来源（太阳能帆板）、支撑结构、动力系统等部分外，天问一号整体上携带了13种科学载荷，其中7个在火星上空的环绕器上，6个在降落火星表面的巡视器上。它们共有五大科研目标，主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究，将给中国带来火星的第一手资料。
　　工作状态的火星车艺术效果图（图源：中国航天局）
　　第8关，美丽的火星，天问一号拭目以待！
　　结语
　　人类探测火星60年，胜率不到一半，这是一个高风险，却是代表着人类最美丽最绚烂航天梦想的存在。天问一号，一次实现绕、落、巡的工程目标和五大科学目标，也必将是极大的挑战。我们祝福它在余下的闯关过程中，一切顺利！
　　天问一号不仅是我国火星探测任务的开始，也宣布了我国长远行星探测任务的开启。火星，只不过是下一站。在可以预见的将来，天问系列不仅会探测火星，还会去地球最近的邻居金星，还有可能挑战极限，前往更大难度的太阳系内侧水星和外侧四大气态行星（木星、土星、天王星、海王星）和小行星、矮行星等。我国也在近期开启了行星科学一级学科的大规模建设，一批人才培养的摇篮正在规划中。希望天问一号火星探测任务一切顺利，也希望天问系列带着中国人的梦想飞遍寰宇。
　　最后，让我们畅想一下《下一站火星》中的未来图景吧：所有人都在等待征服火星的那一天。那时人类可以被定义为一个全新的物种：一种来自地球的可以跨行星生存的生物。走出地球似乎是我们从渺小迈向伟大的必经之路。火星就是下一站，那里总是荧荧如火，令人向往。
　　出品：科普中国
　　制作：太空精酿
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
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