火星，我們來了！

一、 為什么要探測火星？

茫茫宇宙，火星是太陽系中與地球最為相似的行星，這顆紅色的星球，是一顆承載人類最多夢想的星球。

火星的自然條件比地球惡劣得多，但已經是太陽系中與地球相似度最高的星球了，兩者都形成于約45億年前，行星結構也都有核、幔、殼。有著相似的自轉周期，一個火星日大約是24小時39分鐘。有著相似的自轉傾角，意味著它與地球一樣有四季的變化。

火星真實色彩映像，羅塞塔號攝于2007年

而且遠古火星有大量液態水，很可能存在過生命，現在火星地下應該還有大量含水層，甚至有人認為現在火星上依然有生命。所以它是研究行星演化、地外生命等科學問題的重要目標，也是人類殖民宇宙的首要目標。

二、 火星有生命嗎？

火星上到底有沒有生命？有科學家認為火星生命的出現是大概率事件，但不會有智慧生物。

從地球生命的起源可以推測火星是否有生命。一般認為地球的生命起源于大約39億年前的海底火山，在這里來自火山的各種無機物逐漸反應產生了各種復雜的有機物，最終形成了生命。35億年前的一群古微生物聚集在一起生長、死亡后，殘留下來的礦物質膠結而成的疊層石，是目前可以直接觀察到的最早的生命起源痕跡。

米勒實驗就是最好的證據：在玻璃容器中加入水、二氧化碳、氨氣、二氧化硫等氣體，一邊加熱水，一邊給這些氣體通電，最終冷凝管中發現了氨基酸。現在更多的實驗證明在地球歷史環境中無機物可以合成多種多樣的小分子有機物，其中包括各種氨基酸、糖類、脂類，以及核苷酸——核苷酸是構成遺傳物質的基礎。這些實驗支持了生命的化學進化論——生命是由無機物通過化學反應形成的。

在化學進化論的理論下，

米勒實驗示意圖

地球生命形成的條件就是：液態水、海底火山活動、時間。而這些條件火星完全具備。

火星與地球幾乎同時形成，遠古火星存在大量地表水。遠古火星上的火山也曾極其活躍。從地球經驗看，從45億年前到35億年前，10億年間生命就演化出來了;要是考慮39億年前的晚期重轟炸事件，那么地球在短短4億年間，就演化出了生命。火星地表水活動從41億年前到35億年前有6億年，地下水則持續到25億年前有16億年的時間，完全足夠生命從無到有地演化出來。

所以從硬件條件來說火星上有生命是大概率事件。現在問題就是我們的探測器什么時候能夠發現它們。

三、 探測火星難嗎？

1. 歷史成功率低

為了更好地研究火星，各國紛紛向火星發射探測器。數據顯示，從1960年以來，人類火星探測成功率只有50%，對比金星探測77%和月球探測76%的成功率就可以知道火星探測有多難了。即使敗多成少，但人類依然對火星興趣不減。

火星公轉周期為678個地球日，大約每隔26個月就有一次火星沖日，這時地球與火星的距離縮短到不足1億千米，而在火星發生大沖時，這個距離為5500萬千米。距離近消耗燃料少，因此火星探測活動也會每隔26個月出現一次高潮。2020年7月下旬至8月上旬是本輪的火星發射窗口，7月20日，阿聯酋的火星探測器“希望”號成功發射，7月30日，美國也有一個火星探測器發射升空。

2. 火箭發射要求高

地火轉移軌道示意圖

為了將“天問一號”送入地火轉移軌道，“胖五”需要托舉火星探測器加速超過每秒11.2公里的第二宇宙速度。這也被稱為“逃逸速度”，航天器只有超過這個速度，才能完全擺脫地球引力，飛向太陽系內的其他行星。這次是我國航天器首次超越第二宇宙速度，“胖五”飛出了中國運載火箭的新速度。

因為地球和火星的相對位置在不斷變化，發射時間不同軌道也不同，為了在“奔火”過程中節約燃料，科研人員為連續14天每天30分鐘的窗口期，每隔10分鐘就設計了一條不同的發射軌道，將軌道偏差控制在極小范圍內。任務中，通過軟件還可以實現發射軌道的自動切換選擇。長征五號火箭總指揮王玨說，一次發射設計如此多的發射軌道，這在中國航天史上絕無僅有。

3. 延時長無法遠程操作

由于火星距地球這么遙遠，兩地最遠時通信信號光速傳輸單程就需要22分鐘，這樣的通信延遲導致“天問一號”在大多數情況下無法實時遠程操作，多數情況需要“天問一號”自行判斷和處理。

4. 深空探測難點多

“天問一號”的三個任務目標是火星環繞、火星車著陸和巡視探測，每一步目標都充滿了不確定性。

目標一：火星環繞

從地球到達火星環繞軌道的難度相當于從東京打一個高爾夫球正好落到巴黎的球洞中。探測器飛到火星需要6到11個月的時間（“天問一號”預計7個月），其間會受到多個天體的引力擾動，還會受到太陽風、空間輻射的干擾。“天問一號”會通過內置陀螺儀、天文導航、多普勒導航等多種系統確認自身位置和姿態，同時與地面超算平臺計算的軌道進行對比和調整。

而且火星引力范圍比地球小得多，高速飛行的“天問一號”明年2月到達火星軌道后還需要及時剎車，準確進入環繞火星的軌道。這些步驟中有任何一步錯過，任務就會失敗，探測器將會迷失在宇宙中。

目標二：火星著陸

中國火星探測器在火星表面示意圖

經過2到3個月的火星環繞，“天問一號”將對火星上的著陸區有更細致的了解，按照計劃軌道器和著陸平臺將在明年4月分離，軌道器繼續在環繞軌道進行空中探測，火星車和著陸平臺將降落在火星烏托邦平原。

火星著陸器需要在隔熱罩、降落傘、反沖發動機的通力合作下在8分鐘內將速度從4.8km/h降到0。整個降落過程有超過一千個動作，全部需要“天問一號”自主完成。在距地面100米處，著陸平臺將短暫懸停對著陸地點障礙物做最后規避動作。如果計劃成功，中國將成為繼美國之后第二個實現漫游車在火星軟著陸的國家。

目標三：火星巡視

著陸平臺成功降落后，這輛尚未命名的火星車將離開平臺，在火星上展開科學探測。

它將對火星進行包括空間環境、氣候、表層環境和地下淺表層結構等多項研究。240公斤重的火星車上搭載了六種科學儀器，包括攝像頭、探地雷達（GPR）、磁場探測器、大氣環境測試儀和光譜儀等。比如大氣環境測試儀可以獲取火星溫度、風力等信息。磁場探測器有望獲得有關火星過去磁場的有價值的信息。探地雷達將有助于辨別出火星表面以下的某些地質結構。

這些設備將幫助我們解答“火星上有生命嗎？”“人類可能移居火星嗎？”這些我們關心的問題。可以說“天問一號”在火星上走出的每一小步都是中國行星探索走出的一大步！

從宏大的空間尺度來說地球只是宇宙中一顆渺小沙粒，而“天問一號”更是微不足道。從長遠的時間尺度來說，我們終將走出地球，駛向星辰大海，“天問一號”只是其中的一個小節點。但是我們依然希望人們記得，開啟了中國行星探測歷史的“天問一號”。因為“天問”寄托著中華民族數千年前就開啟的問天夢想，承載了中國對科學真理追求的堅韌與執著。