【天問一號】火星探測器成功發射，中國將在火星探索彎道超車！_風聞

北京時間7月23日12時41分，中國『天問一號』火星探測器搭乘長征五號運載火箭在海南文昌發射場成功發射。

這是我國首次自主執行火星探測發射任務，並且也是長征號運載火箭首次執行【地-火轉移軌道】發射。

長征運載火箭搭載天問一號發射成功，圖片作者：江程傑

自2016年初火星探測項目立項之後，中國在短短四年之間就建立起了包含環繞飛行器 、着陸器、火星車等設備的火星探索基礎體系。

當然，除了中國的【天問一號】其他航天強國也沒有閒着。    阿聯酋的首顆火星氣象衞星【希望號】在7月20號搭乘日本的運載火箭升空，而美國NASA的【毅力號】火星車也整裝待發，預計將在8月15日之前完成發射。

那麼問題來了，為什麼人類選擇探索火星？為什麼近兩個月來各國會集中向火星發射探測器？中國的火星探測進程在世界範圍內處於什麼位置？

為什麼是火星？

實際上，人類最早的行星探索之旅的第一目標並不是我們所認為的火星。而是地球的另一個鄰居：金星。  

金星的半徑為地球的95%、質量為地球的82%、密度為地球的95%、重力為地球的90%。  在太陽系裏，金星可以説是跟地球看起來最相像的一顆星球，甚至有科學家將之稱為地球的『孿生姐妹』。

1967年，蘇聯的金星4號探測器成功進入了金星大氣層，但是當探測器着陸艙下降到距離金星地表24.96公里的時候，金星四號突然就和地球失去了聯繫。而在之後的兩年，蘇聯在金星地標上方26公里和10公里分別失去了金星5號和六號。      連續三次着陸失敗，讓蘇聯人明白要想成功登陸金星必須要一台【抗壓】能力足夠強的探測器。  

前蘇聯的金星五號探測器，圖片來自網絡

一年後，能夠承受180個大氣壓強的金星七號終於不負眾望抵達金星表面。但是金星七號帶來的卻是壞消息：金星地表大氣壓是地球的92倍，平均温度高達475°，並且沒有液態水的存在。      也就是説，這個星球並不具備人類生存三要素：【氧氣】、【水】、【温度】中的任何一個。  

而其他行星中離太陽太近，木星和土星引力過大，天王星和海王星則距離太陽過遠，超過28億公里。

所以，人類的行星探測計劃就落到了火星這個“近鄰”身上。  

地球與金星、火星是鄰居，圖片來自網絡

這顆離地球最近在5500萬公里，最遠達4億公里的暗紅色星球，古代的西方人以戰神馬爾斯（Mars）為其命名，而古代中國人則將其稱之為熒惑。

在天問一號項目啓動之前，美國宇航局、歐洲航天局都對火星進行了深入調查，掌握了火星表面的大部分地貌情況，並且對火星大氣有了深入研究，發現火星大氣壓強僅為地球氣壓的0.6%，相當於地球表面35公里的氣壓，非常稀薄；火星地表温度晚上會降低到零下132攝氏度，赤道一些地區會高一些，平均在零下52攝氏度，但其白天温度可達28攝氏度，一些地區可滿足液態水的存在；雖然火星大氣成分中96%是二氧化碳，但可以利用科學的辦法制備氧氣。

雖然現在的火星並不適合人類生存，但是其已經基本具備人類生存三要素。    這也就意味着人類在可預見的未來具備在火星上建立殖民基地的條件。

火星表層存在大量乾冰和冰水混合物，構成了人類殖民的基本條件，圖片來自NASA

從外空資源開發的角度看，遵循誰先到誰先開發的原則，中國迅速建立火星探測任務體系，也是為今後火星資源的利用奠定基礎。

在這個背景下，中國行星探測第一站選擇火星也是一種必然。  

扎堆式發射，錯過再等26個月

各國都擠在這段時間奔向火星的原因，是因為現在正值火星探測的發射窗口，如果錯過，下一次就等到到 26 個月之後了。

地球和火星分別是太陽系中距離太陽第三和第四近的星球。    然而，火星的軌道要比地球大得多，用天體物理學的專業術語解釋就是火星的公轉軌道高於地球。  這也導致地球與火星的公轉週期大不相同，因為兩顆星球的公轉速度不同，相對距離在在不斷變化，最近時有 5500 萬公里，最遠時超過 4 億公里。      每隔約 780 天，太陽、地球和火星才會處在一條直線上，這時地球距離火星距離最近，也就是所謂【火星大沖】。  

火星大沖，圖片來自網絡

但是，如果探測器在【火星大沖】時發射的，那就需要火箭從地球出發沿直線一路狂奔至火星。    可是，在太陽系中，所有天體都受到太陽強大的引力拉扯，要想脱離自有公轉軌道需要非常多的燃料，      對於目前的航天技術來説，還沒有任何一個國家能研發出能搭載如此龐大燃料的航天推進器。  

不過好在，  一個叫做瓦爾特·霍曼的德國天體物理學家在其1925年出版的專著《天體的可抵達性》中，詳細闡述了他所發明的航天器進行軌道轉換時的方案。  簡單來説，就是將轉移軌道變成一個巨大的橢圓，橢圓的一端與地球軌道相切，另一端則與目標行星軌道相切，從地球發射的飛行器沿着這一軌道飛行，最終與目標行星交會。

著名的【霍曼轉移軌道】，圖片來自NASA

這種轉移方法要求航天器轉移軌道和地球公轉軌道相切的地方進行加速變軌，從而脱離地球的引力進入轉移軌道。而航天器在轉移軌道運行的過程中由於天體間相互的引力作用幾乎不需要燃料，當航天器抵達轉移軌道與火星公轉軌道相切點時，再讓飛船減速被火星引力捕獲，從而進入火星的大氣層。

這一轉移方法就是著名的【霍曼轉移軌道】。

【霍曼轉移軌道】是目前探測火星最節省燃料，也是最高效的一條飛行路徑。  

這一路線需要太陽、地球和火星處於相對合適的位置，但並不是在連成一線時。    而達成這一位置的週期同樣是 26 個月左右。    按照這個飛行軌跡，今年發射火星探測器的需要飛行 7 個月左右才能抵達火星。

因此今年，除了天問一號外，美國、阿聯酋的火星探測器也在這個月發射。而歐洲與俄羅斯合作研發的ExoMars火星漫遊車，預計將推遲到2022年發射。

在失敗中前進的星際探索

雖然現在已經發射成功，並且有了「霍曼轉移軌道」的助力，      但是就此宣佈中國首次火星探測任務成功還言之尚早。  

中國空間技術研究院研究員龐之浩曾説，探測器進入火星軌道的難度，相當於從巴黎打一個高爾夫球要正好落到東京的某個球洞裏一樣。一名美國科學家則曾形容，火星探測器着陸時的心情就好像丈夫在產房外等待妻子分娩一樣。可見火星探測任務的難度之大。

要知道，中國第一台火星探測器就是在進行脱離地球軌道變軌時出現了差錯，從而導致整個計劃失敗。    而成功進入「霍曼轉移軌道」後，在七個月的太空航行時間中，也有可能隨時發生意外。

就算最終安全到達火星軌道也不能掉以輕心，因為降落的過程才是整個任務中最難過的坎。  

前蘇聯火星三號探測器，圖片來自網絡

截止2011年蘇聯（俄羅斯）總共發射過20次火星探測器，幾乎全部失敗。唯二的兩次部分成功，都在探測器着陸之後損壞。    目前蘇聯（俄羅斯）在火星上工作時間最久的火星3號探測器，只在火星表面存在了短短二十秒。

據中國科學院院士 、航天科技集團科技委主任包為民介紹，天問一號着陸火星主要分為氣動減速、傘系減速、動力減速、着陸緩衝 4 個階段。  

天問一號在進入大氣層時，要將速度從 4.8 公里 / 秒在 5 分鐘內減速到 460 米 / 秒，而且還要精確控制與大氣層的角度，角度太大會因為與大氣摩擦導致過於高温，角度太低則無法進入。

接着降落傘就要打開了，在 90 秒內將速度降至 100 米 / 秒以下。當着陸器距離火星地表 3-5 公里時，啓動反推發動機，拋掉大底和背罩，露出着陸平台和火星車，逐步減速到 3.6 米 / 秒。

最後 100 米，着陸器要自主檢測避開障礙物，尋找安全的着陸地點。在與火星接觸的瞬間依靠四條着陸腿來緩衝和吸收最後的衝擊，保證平穩着陸。

以上幾個階段，只要某一個環節出現問題，就可能前功盡棄。

視頻連接請戳

天問一號火星任務全程模擬，視頻來自央視新聞B站賬號

此外，因為地球與火星的距離太過遙遠，從地球發出的指令需要多達幾十分鐘才能送達火星探測器，而這整個着陸過程僅有7-8分鐘，也就是説，這一切都需要天問一號自主完成，在地球上的我們只能夠聽天由命。      這整個降落的過程則被天文學家們戲稱為【黑色七分鐘】。

人類44次的火星探索任務中，一共有15次嘗試在火星地表着陸，只有8次成功。

三步並作一步走，天問或將實現彎道超車

儘管難度如此之大，但是各國對於火星的探索卻從未止步。那麼，各國的火星探索現狀如何，中國在這場火星競賽中又扮演什麼樣的角色呢？

整個火星探索任務中，根據任務的形式不同，可以將任務分為繞（衞星繞火星飛行）、落（讓着陸器降落在火星地表）、巡（派出火星車在火星上續航）。  這三個任務難度依次遞增，  目前全世界能夠完全做到【繞落巡】任務的國家只有美國。

美國：豐富的成功經驗+天才的馬斯克  

美國目前有五個探測器在火星運行，其中包括三個衞星：火星奧德賽號、火星偵察軌道器、火星大氣與揮發演化探測器，和兩部火星車：機遇號、好奇號。這無疑讓美國在火星探索層面遙遙領先。

美國好奇號火星車，圖片來自網絡

並且，在美國還擁有SpaceX和馬斯克的星艦計劃。    馬斯克的星艦計劃要移民100萬人到火星，目前已經進行了至少11次測試，原型機建造到星艦SN9階段，預計在2020年7月進行第12次測試。雖然過去的11次測試大部分都以失敗告終。

星艦SN9原型機在今年7月的測試預計飛行20公里高度，一旦成功將可能轉入試飛型號生產，並在2030年左右登陸火星。並且，馬斯克和他的SpaceX已經成為了世界上第一個將宇航員送入太空的個人商業公司，其未來的能量不可估量。

前蘇聯：第一個吃螃蟹的人，就舔了下殼

排名第二的就要數前蘇聯了，1962年蘇聯發射的“火星1號”探測器被公認為人類邁向火星的第一步。  在此之後蘇聯也一直不斷在火星探測方面進行更進一步的嘗試，比如將火星車送上火星地表。      但是其所有的探測任務幾乎全部失敗。  

其工作時間最長的火星着陸艙也不過20秒，但是也算完成部分完成了【落】任務。

歐洲航天局和俄羅斯：歐洲老傳統，錢不夠就延期

2004年2月，歐洲航天局正式公佈了一份雄心勃勃的火星探險“路線圖”——“極光計劃”。該“路線圖”的“終極目標”，就是讓歐洲宇航員在30年之內，也就是2033年之前登陸火星。

ExoMars火星車概念圖，圖片來自網絡

然而，原本定於2018年的【ExoMars】火星車計劃由於財政壓力延期至2020。      今年年3月12日，歐空局和俄羅斯宇航局又宣佈【ExoMars】延期，ExoMars 2020在歐空局官網上被改成了ExoMars 2022。  

目前，歐洲在火星探索方面的最大成就，依然是歐洲航天局和俄羅斯合作進行的火星快車空間探測器，這是一顆衞星探測器，也是蘇聯解體後歐洲在火星探測方面最大的成就了。

阿聯酋和印度：阿拉伯和亞洲的驕傲  

而印度和阿聯酋都先後發射了自己的衞星型火星探測，印度的“曼加里安”火星探測器於2014年成功進入火星軌道，併發回所拍攝的火星照片，從而成為繼蘇聯、美國和歐洲之後世界第4個成功探測火星的國家或組織，也是亞洲第一個成功探測火星的國家，完成了【繞】的任務。

阿聯酋希望號火星探測器，圖片來自網絡

本月，阿聯酋【希望號】火星探測器，在日本種子島太空中心由日本H-2A運載火箭發射成功，開啓前往火星之旅。      如果任務成功，那麼【希望號】將成為阿拉伯世界第一枚火星探測器。  

不難看出，中國在火星探測領域上仍是一名追趕者。      但是，中國起點卻非常高。天問一號這次將完成一項人類航天史上的創舉，在一次發射中同時完成【繞落巡】三大任務。  

這三項任務其實早在幾十年前就已經有國家實現，但都是分多次完成，從來沒有哪個國家可以在一次任務同時實現，      一旦實現就是航天史上一個新的里程碑。    不可否認，這一方面是因為我們站在了巨人的肩膀上，美蘇過去對火星的探索讓火星的地貌、氣候等被瞭解，但更離不開我國在航天技術上的進步。

一旦這次任務成功，中國將成為繼美國後，世界上第二個獨立掌握火星着陸巡航探測技術的國家。      也將是世界上第一個在一次發射中同時完成【繞落巡】三大任務的國家。  

【天問一號】的名字取自我國古代著名詩人屈原的長詩《天問》，在 2000 多年前屈原就對天地分離、日月星辰發出列如【九天之際，安放安屬？】的天問。

圖片來自微博用户@more_space

從國家層面來説，隨着嫦娥四號着陸器和月球車已在月球背面順利完成一系列科學探測工作；長征五號遙三運載火箭發射；高分、北斗在全球進行精準標繪、高精度定位工作。      【天問一號】的發射成功標誌着中國的航天事業又向前邁進一大步。    

而從全人類的層面，我們之所以孜孜不倦的探索宇宙和其他星球，是因為我們相信在那些未知的深空裏藏着全人類的未來。

火星還有許多未知等着我們去探索，圖片來自網絡

就像美國國家地理的紀錄科幻片《火星時代》中，在火星上空開啓降落程序時，艦長對地球説出的最後一句話一樣：

那麼我們就已經投身無盡的黑暗，為了你們可以看到光明。（Then we went to the darkness, so you can see the light）  

隨着人類航天事業的不斷發展，小探相信總有一天，類似【從哪裏來，到哪裏去？】、【九天之際，安放安屬？】這樣的“天問”終將被解答。