定了，“天問一號”去火星！_風聞

總體上，中國的首次獨立火星探測任務“天問一號”是一個在我國現有工程技術能力上做到極致的火星探測任務，即便放到國際上，也屬於超高難度，工程技術和科學研究意義斐然，是中國航天為全人類航天夢想的一次卓越貢獻。

“天問一號”涉及到的相關科學技術實在太多了，為提高效率，我將採取自問簡答的方式回覆，總結此前的文章和《下一站火星》中的內容。也歡迎感興趣的朋友提問。

一、為什麼叫“天問一號”

天問一詞來自我國戰國時期著名詩人屈原的名作《天問》，他在這篇長詩中探討了日月星辰和天地萬物的變遷，表達了追求真理不斷探索的宏大精神。而對我國下一步的航天發展，尤其是深空探測方面的發展而言，作為一個新崛起的航天大國，懷揣着不僅中華民族、更是全人類的航天夢想，無論如何也需要這麼一個行星探測系列任務作為未來發展方向。最終，這個龐大的計劃被命名為“天問”。

（這個整體的logo也結合了火箭軌跡、太陽系八大行星等元素，符合“天問”的實際工程計劃）

這次公佈的火星探測任務“天問一號”，不僅是火星任務本身開始，更有意義的是宣佈了中國更加長遠的整個行星探測任務開啓。

在可以預見的將來，“天問”系列將不僅探測火星，還會去地球最近的鄰居金星，還要挑戰極限，前往更大難度的太陽系內側水星和外側四大氣態行星（木星、土星、天王星、海王星）。我國也在近期開啓了行星科學一級學科的建設，一批人才培養的搖籃正在規劃中。

二、為什麼我們選擇火星？

人類如果想要衝出地球、達到下一個行星、甚至衝出太陽系，基本只能先從火星和金星兩個鄰居開始。它們和地球同處太陽系內的宜居帶內、同屬於巖質行星、擁有孕育生命的可能性。

然而，人類經過航天探索發現，金星環境實在太過惡劣：氣壓是地球的92倍，空氣中幾乎全是二氧化碳，並且佈滿了稀硫酸雲。地表温度常年保持在460攝氏度，人類根本無法生存。相較而言，火星的條件"優越"不少，幾乎是人類航天探索下一站唯一的選擇。

地球和火星尺寸對比（圖源：NASA）

1.火星的潛在資源豐富。包括擁有太陽系第一大高山（奧林帕斯山）和第一大連續峽谷（水手號）；陸地面積大，火星總表面積雖然僅有地球的28%左右，但需要注意，這可是純陸地，已經接近地球上人類生存的七大洲面積總和；火星上大氣雖然稀少，但是以二氧化碳為主，可以作為開發資源。

2.多年的科研發現，火星南北極存在不亞於地球上格陵蘭島的淡水資源，土壤中廣泛存在2-3%的水分。“火星快車"任務甚至發現了疑似地下水湖，火星也存在一定有機物分子。

3.火星引力較小、距離小行星帶和太陽系外圍空間更近，在火星上發射火箭和深空探測的總成本大大低於在地球發射，是人類未來深空探測發展中航天基地的不二之選。

如果人類航天的未來是宇宙的星辰大海，中國人沒有任何理由不去探測火星！

三、火星探測該怎麼去？

火星是距離地球第二近（軌道）的行星，但這個距離依然非常驚人，月球和地球的平均距離為38萬千米，對於人類而言，已經是極其遙遠的存在。但月球圍繞地球運動且軌道偏心率很小，與地球的距離相對穩定。而火星距離地球在5000萬——4億千米左右，平均距離遠遠超過地月距離，並且這個範圍變化區間實在太大。在地球上，僅需0.13秒就能實現任意兩點的通信，地月之間則需要2.5秒，可是，當地球與火星處於最大距離時，即便是光速通信也會有44分鐘的延時。

地球和火星距離變化（圖自：《下一站火星》）

因而，前往火星，需要一系列基礎：

1.一枚強大的火箭。這就是中國目前現役最強的長征5號火箭。中國新一代大型火箭長征5號在 2016 年發射成功，它是中國未來 20 年內大型航天任務的主力，足以滿足大型軌道器、着陸器和巡視器組合的火星探測任務發射需求。它的地火軌道轉移能力在5-6噸級別。

2.時間窗口。如上圖所示，地火之間大約每780天才距離接近一次，叫做會合週期，這也成為了探測火星的時間窗口。在二者會合之前數月，火星探測器要從地球出發，經過6-11個月的太空旅程，最終抵達火星附近。比如，2020年這一次探測機會就在7月左右，數月後地火會合。

3.軌道設計。由於人類火箭依然只能侷限於化學燃料,能力有限。探測器飛往火星之旅只能選擇一個叫做"霍曼轉移"的方式，一種變換太空船軌道的方法，或它的略微改進版方式——“快速合點航線”。但這個過程耗時普遍在6-11個月不等，遠遠長於地月之間的3天左右。同時，這些線路會受到太陽系內多個天體的擾動，還有太陽風、空間輻射等的複雜影響。此外，火星與地球並不處在同一平面內。深空探測任務往往"失之毫釐，謬以千里”，軌道設計難度可想而知。

一次標準的霍曼轉移軌道（圖自：《下一站火星》）

在飛行過程中，探測器總體上要經過兩次加速：一次加速擺脱地球進入地火轉移軌道，另一次加速趕上火星環繞太陽軌道。由於火星引力加速的影響，為切入環繞火星的軌道，探測器反而需要減速制動。

探測器達到火星附近後，需要被火星引力俘獲。相比較地球而言，火星只是個小不點，質量僅有地球的10.7%，引力影響範圍很小，這要求探測器必須精準切入環繞火星軌道。同時，必須擁有強大的變軌能力，能完成改變軌道、大幅增加燃料需求。

為給着陸器留足着陸窗口，探測器需要整體切入環繞火星軌道，再讓着陸器擇機着陸，這個入軌難度進一步提升。

4.需要複雜通訊設施。火星探測任務非常遙遠，且與地球通信時間極其寶貴，這要求地球上必須有全天域覆蓋的強大深空通訊網絡。目前我國的深空探測天線站佳木斯站、喀什站等都在建設或升級中，海基航天測量船“遠望系列”的更新，天鏈系列衞星的建成和海外測控站的積極建設，中國將逐漸擁有在地球和宇宙之間近乎無死角的深空通信能力。

四、探測器該怎麼造？

探測器必須功能強大。一方面，探測火星的成本極高，如果只是進行簡單工程驗證並不值得，必須搭載各種科學儀器才能換回相應價值。另一方面，由於距離問題，探測器的深空通信、自主導航制導控制和自我故障檢測修復功能等必須獨立且強大，這進一步推高了成本。

中國最終選擇了“繞”、“落”、“巡”的三大任務主線集為一體，這有一定必要性，也是很大的挑戰。

1.至少要做到“繞”。這也是世界各國首次探測火星時必選項，即發射一顆探測器實現環繞火星運行，進行科學研究和工程驗證，又可以叫做軌道器。這方面，我國不僅有此前“螢火一號”對火星探測儀器的基礎，也有嫦娥系列對月球探測的基礎。這個軌道器還有一個非常重要的意義：服務於位於火星表面的着陸器和火星車，因為它們基本不可能有直接和地球通訊的能力，太遠了！

可以説，“繞”是火星探測的基礎，如果沒有軌道器飛在火星之上，是不可能進行“落”和“巡”的。

（NASA維京任務組合體，上面為軌道器，下面為着陸器。圖自：NASA）

2.“落”和“巡”的必要性

一方面，“繞”的任務實在太多，已經很難出重大科研成果了。尤其是直到目前，尚有6個火星軌道器在工作，它們是美國NASA的奧德賽號、偵察軌道器、MAVEN大氣專家，歐洲的火星快車、ExoMars-TGO，印度的曼加里安。因而，從科學意義上講能抵達火星表面的着陸器和火星車更能獲得有價值的研究成果。

（過去幾十年內火星着陸器情況，圖自：NASA，徐蒙博士譯）

五、探測器怎麼落？

而上述所説的，還僅僅是實現環繞火星的難點，要完成降落火星的任務，還需要克服一系列更復雜的問題。

1.火星大氣。火星僅擁有極其稀薄的大氣，含量甚至不足地球海平面平均密度的1%，但它卻成為讓科學家又愛又恨的存在。

愛在於：雖然大氣稀薄，但不像月球一樣近乎真空，科學家可以利用它產生的摩擦力對探測器進行減速。

恨在於：它依然可以產生非常多的熱量，高達2000攝氏度。但它的密度又不足以讓探測器完全減速，到最後還是需要反衝火箭發動機長期工作以實現懸停、避障、降落，也就是中國本次試驗的核心技術。

中國已進行了探測器在火星低重力環境下懸停（圖源：中國青年報）

因而，一個火星着陸器既需要隔熱罩隔絕熱量，還需要配備減速、降落傘進一步減速，同時也要反衝發動機聯合工作，幾乎湊齊了人類現有的降落技術，整體設計難度陡增。

2.能量來源。火星距離太陽更遠，火星能接觸的太陽能僅是地球的44%左右。由於長期風化，火星上沙塵非常細密，缺乏温室效應又導致火星不同區域氣壓差很大，進一步導致存在很強力的風，使得火星上經常出現沙塵暴，這也是導致去年"機遇號"火星車失聯的直接原因。因而，火星着陸器要麼選擇太陽能，但要面對能量低、風險高的困難；要麼選擇極其昂貴的核電池，且由於火星夜晚過於寒冷，必須攜帶熱源保温。

好奇號火星車降落火星過程自主完成了超過1000個動作（圖源：NASA）

3.自主導航。標準的火星着陸過程持續時間僅7分鐘左右，這甚至不足以完成一次地火通訊，這意味着全程超過1000個動作的降落過程必須依靠探測器自主完成，對軟件和硬件的要求極高。

因而，降落火星的難度，遠遠超過"上九天攬月"。對於這次任務，我們也希望一切順利，帶着中國人“天問”的夢想抵達火星！

最後，放幾張官方美圖鎮樓（自：中國航天局）