中國首次火星之旅

火星，這顆赤色星球，古往今來都充盈著迷人色彩。它是太陽系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類似的行星之一，一直以來都是人類深空探測的熱點。從1961年至今，人類已實施火星探測活動達44次，但成功和部分成功的任務一共僅有22次?；鹦蔷嚯x地球的最遠距離為4億千米，最近距離為5 500萬千米。由于地球和火星的公轉周期不同，兩個行星大約每兩年“相遇”一次，即地球與火星之間的距離較近。在“相遇”期間，從地球上發(fā)射火星探測器可以縮短抵達火星耗時，節(jié)省燃料，從而降低“探火”成本。

2020年7-8月迎來了兩年一次的“火星發(fā)射窗口期”。這一次，中國來了。

火星，地球的前世還是未來

不滿足于地球的懷抱，人類將目光投向更深遠的太空。

在太陽系，火星的自然環(huán)境與地球最為接近，兩者幾乎都形成于約45億年前，組成結構也大致相同，有核、幔、殼。

火星與地球有著相似的自轉周期，一個火星日大約是24小時39分鐘，而且它還和地球一樣，也有四季更迭。但是，從人類目前掌握的有限情況看，兩者之間又有著顯而易見的不同：從外形上看，火星個頭更小，它的半徑約為地球的1/2，體積約為地球的1/7。

與我們這個有71%海洋覆蓋率的藍色星球不同，火星表面呈現(xiàn)出紅色，在它最明亮的時候猶如一團火球。實際上，這一紅色并不是真正的火焰，火星上的溫度反而極低，接近于地球的南極。呈現(xiàn)紅色的原因，是火星的土壤富含氧化鐵，就像是土地生了銹。這種土壤的形成，是風與水雙重侵蝕作用產(chǎn)生的。由此可見，火星上曾經(jīng)存在過大量的水和大氣。

時空流轉，這顆與地球同齡的星球，表面怎么變成如此荒漠般模樣？火星是我們的過往，還是地球未來的歸宿？或許，它亦可成為人類改造的對象，在若干年后成為一個宜居的地外家園？所有的問題，只有等到我們“身臨其境”后才能一步步得到解答。

萬眾期待中，中國開啟了首次火星探測之旅。

“天問一號”，向火星“發(fā)問”

“圜則九重，孰營度之？”屈原曾發(fā)出嗟嘆。而今，“天問一號”將勇敢作答。

2020年7月23日12時41分，中國首個火星探測任務“天問一號”探測器在中國文昌航天發(fā)射場由長征五號遙四運載火箭成功發(fā)射。

“天問一號”此次探路的主要任務包括：

1.采集影像資料；

2.測物質，測元素，如火星表面有什么物質，物質的構成成分是什么；

3.測環(huán)境；

4.看火星內部，如淺層的地質結構、地底分層結構等；

5.看火星氣象，如沙塵暴、溫度變化等。

此次探路還將一次性完成“繞”“落”“巡”三大任務，即軌道器環(huán)繞火星、著陸器登陸火星、火星車巡視表面。如果完成任務，這將是全世界首次在一次任務中完成三個目標。

作為中國首次火星探測任務的“主角”，“天問一號”在結構和性能上有著自己的風格：它由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，著陸巡視器又分為進入艙和火星車。當“天問一號”運行到選定的進入窗口后，探測器進行降軌控制，釋放著陸巡視器，環(huán)繞器則進行升軌控制，進入中繼通信軌道，為火星車提供中繼通信鏈路，并開展環(huán)繞科學探測。

2020年8月2日，“天問一號”探測器3 000 N發(fā)動機開機工作20秒鐘，順利完成第一次軌道中途修正，繼續(xù)飛向火星。后續(xù)，“天問一號”探測器還將經(jīng)歷深空機動和數(shù)次中途修正，奔火飛行6個多月后抵達火星附近，通過制動被火星引力捕獲進入環(huán)火軌道，開展著陸火星的準備和科學探測等工作。

從“三環(huán)”到“四環(huán)”，跨越的是4億千米

在太陽系里，八大行星以太陽為核心公轉，形成了八個環(huán)形軌道，其中地球位于“三環(huán)”，火星則在“四環(huán)”運行。要想沖出地球抵達火星，從“三環(huán)”跨越到“四環(huán)”，需要長途跋涉10個多月，直線距離突破4億千米的旅程。要經(jīng)歷發(fā)射入軌段、地火轉移段、火星捕獲段、火星停泊段以及離軌著陸段等五大階段。

其中，地火轉移段指的是從探測器與火箭分離后，到進入火星引力影響球的飛行階段。這一階段是“天問一號”任務里耗時最多的部分，需要近7個月之久。

經(jīng)過以億千米計的奔襲后，“天問一號”進入火星引力影響球，就開始被火星捕獲了。發(fā)動機點火進行近“火”制動，將探測器的飛行速度降下來，俯下身段，讓火星捕獲。一旦被火星成功捕獲，探測器就會在火星軌道運行，成為一顆繞“火”衛(wèi)星。接著，探測器就開始進入火星停泊段。

火星停泊段并不是停泊在火星軌道上不動，而是在一個極軌道上繞“火”飛行。這個階段要持續(xù)幾個月，直至探測器降軌后轉入兩器分離階段。

既然已經(jīng)到了火星軌道，為何還要繞飛數(shù)月而不是直接落到火星呢？原來，這個階段的繞“火”飛行，就是為了讓地面控制環(huán)繞器上的高分相機對首選著陸區(qū)進行詳細勘察，并拍照成像。經(jīng)歷多圈精準成像后，我們看清了“落腳點”，才能更好地控制“天問一號”準確著陸到理想?yún)^(qū)域。

掌握新技術，迎接新挑戰(zhàn)

嫦娥四號登陸月背，中國航天跨越了38萬千米的距離，經(jīng)歷了10余年、4個型號任務的不懈努力，才得以“圓夢廣寒宮”。如今，“天問一號”面臨的是1 000多倍于地月的距離，1/4的準備時間，一次任務實現(xiàn)“繞”“落”“巡”三大目標?？缭绞酵黄?，注定會帶來更多更新的難題。對我國科研人員來說，必須勇闖難關、贏得挑戰(zhàn)。