“天問一號”：中國首次火星探測

清蒸鱸魚

從1960年10月蘇聯率先向火星發射探測器以來，各國航天機構總共向火星發射了數十次的各種宇宙飛船和探測器。2020年4月24日，國家航天局宣布，將我國首次火星探測任務命名為“天問一號”。“天問”二字出自《楚辭》，來源于中國偉大詩人屈原的長詩，作品對天地、自然和人世等一切事物現象進行想象與發問，從宇宙之本源，到陰陽之俱化;從天地之構造，到星辰之往亙。以“天問”作為工程名稱表達了中華民族對真理追求的堅韌與執著，體現了對自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學真理征途漫漫，追求科技不斷創新永無止境。

火星探測面臨的難題

（1）距離太遙遠

地球和火星之間的距離遙遠，受二者相對運動規律的影響，在5600萬—4億千米之間變動，變化范圍很大。而且，火星軌道與地球軌道不完全在同一平面內。這些對探測器飛行方案設計、可靠性設計、計劃管理都提出了很高要求，探測器軌道設計上要將每一細節因素考慮好。

從2020年7月23日探測器成功發射算起，其飛往火星耗時大約7個月。由于地球與火星信號傳輸有延時，且延時長達23分鐘，而探測器在火星著陸時間僅需7分鐘左右，這意味著無法靠地球信號控制處理著陸過程中遇到的各種意外情況，全程必須依靠探測器自主完成。這就要求科學研究人員對著陸過程中遇到的種種情況，做盡可能全面的預測，做好各種情況的處理方案。

（2）合適的窗口期難尋

正是由于地球到火星之間的距離變化區間大，所以要選擇合適的時機，當地球與火星距離相對較近時，探測器變軌進入火星環繞軌道。然而從地球角度來計算，約780天左右才能和火星相對接近一次，這個時間又叫作會合周期。這好比賽跑中在內圈跑得較快的人，超過了在外圈跑得較慢的人一圈，再次進行會合。

目前主流的火箭以化學燃料為核心動力，性能依然有限，利用窗口期將有效提高探測器成功進入火星軌道的概率。

（3）對火箭性能要求高

在探測器飛往火星過程中，首先需要擺脫地球引力，其次擺脫太陽引力，進入火星環繞軌道。正是由于距離遙遠，著陸過程中可能遇到多種問題，因此需要使用盡可能強力的火箭作為動力。在2020年的探測器發射任務中，我國拿出了被稱為“大火箭”“胖五”的長征五號重型運載火箭。

（4）著陸難度大

火星的大氣密度為地球的1%左右，雖然可以利用大氣為探測器的降落減速，但減速過程中會產生高達兩千攝氏度的高溫，因此著陸器需要隔熱罩隔絕熱量。另外，即使配備了減速降落傘，但仍然不足以讓探測器實現軟著陸，因此需要啟動反推動力，幫助探測器懸停、避障、降落。這些難點對探測器的傳感器性能及預案準備提出了更高的要求，以應對種種突發情況，讓探測器進行自我處理。

火星表面溝壑縱橫，遍布沙石，對著陸點選擇和探測器路徑規劃提出了很高的要求。火星表面風化嚴重，溫室效應導致火星不同區域氣壓差很大，風力強勁，沙塵暴頻繁，這對探測器的硬件性能是一個很大的考驗。

火星探測有什么意義？

雖然相比于金星探測，火星探測難度相對較小，但仍然面臨很多難題，火星之旅危險重重。即便如此，火星探測仍舊深深吸引著無數科學家。為何人類鐘情于火星探測呢？這是因為綜合考慮人類目前的技術發展水平和行星探測的難易度等多種因素后，火星是人類探索生命起源與環境演變的首選之地。

首先，火星曾與地球的地質及氣候非常相似，但由于未知的種種原因導致其目前成為荒漠。火星演變時間長，極有可能成為地球演變的未來，探索火星環境變化的原因，對于研究地球演變和保護地球具有重大意義。而且，火星上沒有地球上的全球偶極磁場，導致太陽風高能粒子可以直達火星表面，這對于人類研究行星磁場演變有深遠影響，能讓我們更加了解地球演變。

其次，經多年的火星探索研究，發現火星上確實有水存在，這就為推測探究火星上有無生命及生命存在形式提供了基礎依據，也為大眾對地外生命的探尋燃起了新的熱情。

再者，火星是太陽系內環境與地球最為接近的星球，在目前人類可及的條件下，是人類最有可能登陸的下一個地外天體。

“天問一號”都有什么任務？

正因為探測火星意義重大，中國也義無反顧地加入這一行列當中。隨著長征五號火箭在中國文昌航天發射場的點火升空，探測器也開始前往火星的旅程。地球到火星這么遙遠，探測器的發射只是最初的步驟，探測器還要經歷五個階段的考驗，分別是地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測。在點火發射階段之后，長征五號火箭經過36分鐘的飛行將探測器送入地火轉移軌道，之后將開始后續的各種任務。

雖然整體飛行階段如此復雜，但主要任務簡言之可分為飛掠、環繞、降落、巡視四大任務，這也與人類目前探測火星的技術水平相符合。當然，隨著技術的不斷發展，未來還有第五種“采樣返回”的任務。

（1）飛掠任務

飛掠任務之前，探測器會在太陽翼和天線的輔助，以及測控系統的協助下，飛行約7個月后到達火星，實現地火軌道轉移。飛掠任務只是在火星附近飛速掠過，趁著極短的時間抓住一切可能記錄有用的數據，隨后滑入深空。相比動輒數月的旅行時間，觀測火星的真正有效時間僅在1天左右。

（2）環繞任務

隨著航天技術的進步，探測器靠近火星后已經可以依靠自身動力制動進入環繞火星的大橢圓軌道。如果推進能力更強，或者借助火星頂部稀薄大氣緩慢“剎車”，甚至可以直接變軌成圓形軌道，保持穩定的軌道高度，更有效地觀測火星。探測器通過一系列復雜操作，完成火星捕獲，成為火星衛星。

（3）降落任務

在降落之前，探測器需要穩定飛行到計劃的著陸區上方，為著陸做準備。時機合適時，環繞器和巡視器（也叫“火星車”）分離，巡視器開始降落，進入離軌著陸階段，減速到達火星表面。降落（軟著陸）任務的最大優勢是能仔細研究火星表面的各種細節，尤其是對水、氣象、底部大氣、表面土壤成分、地表地貌、潛在有機物和深層土壤的研究。著陸之旅需要巡視器完全自主導航控制完成。

（4）巡視任務

著陸后，巡視器開始巡視探測，環繞器開始環繞探測，同時提供數據傳輸的中繼服務，將探測數據傳回地球。巡視器的載荷可以集中于科研設備，從事多地點、多方面的精細研究。巡視器是近些年火星探測的核心，復雜程度越來越高，待機工作時間也越來越長。

中國首次火星探測任務“天問一號”本次將一次性完成以上四個任務，可見研發人員投入了多少的心血。但任務難度重重，任何一個環節都可能會有意外發生。我們應該認識到，任務的成功需要眾多航天人才的投入。人類的未來必定是星辰大海，正處在朝陽年紀的我們，更應該把握機會，努力學好知識，為人類航天探索事業添磚加瓦！