首次火星探测对中国航天意味着什么？

  2020年7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在中国文昌航天发射场点火升空。

http://sike.news.cn/statics/sike/posts/2020/07/219558096.html

▲“天问一号”发射升空 来源：@新华视点

       2020年是中国火星探测元年。

       万众期待下，天问一号顺利升空，将为中国打开火星之门，使我们真正进入深空、走近火星。

       登陆火星有多难？各国又为何“扎堆”去火星？大家口中所说的“恐怖7分钟”又是怎么回事呢？思客将为你一一解惑。

登陆火星有多难？

       火星，古往今来自带一抹神秘色彩。早从60年前开始，人类就开启了对这颗赤色星球的探索。

       然而，几十年间，探测的成功率却不足一半。

▲这张自然色照片反映了火星的真实颜色。

       有数据显示，自上世纪60年代以来，人类的火星探测活动达40多次，成功率却不到50%，其余的项目都出现探测器撞毁、失灵或失踪等情况。

       为此，在业界火星甚至被称为“探测器坟场”，其探测难度可想而知。

       火星探测为何如此之难？

       地火两星相隔甚远是一大原因。

       我们常说火星是地球的邻居，但它却实在算不上“近邻”。据测算，地火之间最远距离约4亿公里，最近距离也有约5500万公里，是地月距离的150倍。

       从这个角度来说，月球与地球的距离几乎”近在咫尺”。

▲最近时火星和地球的距离相比于地月距离的比例。来源：果壳

       因此火星探测器在抵达目的地之前，往往需要飞行很长的距离，时间长达7-8个月。

       在这个长途旅行中，对探测器的发射、轨道、控制、通信、电源、入轨、着陆等技术都有很高要求。

       所以，“探火”可比”探月”要难多了。

为何夏季“扎堆”去火星？

       众所周知，火星、地球都绕太阳公转，但两者速度不同、轨道也不同。

       因此只有每隔约26个月，才能等到地火直线距离最近的时候，此时两行星距离约为5500万公里。

       而在这一时刻前后，从地球发射火星探测器，能让人类“探火”之旅的“赶路”时间更短、所携燃料更少、成本也更加低廉。

▲地球（内）、火星（外）公转及距离关系示意图。来源：科技日报

      简单来说，此时是“抄近路”去火星的最佳机会，航天工程上所说的发射“窗口期”也由此而来。

       今夏的7至8月，全球就迎来了发射火星探测器的这一“高光时刻”。有能力进行火星探测的国家，当然都不愿错过这个“窗口期”。

       因此，也就不难理解为何会出现多个国家“扎堆”去火星的状况。毕竟如果错过这次窗口期，下一次的好时机可就要等到2022年了。

“三套餐”组合是什么？

       不同于之前与俄罗斯合作最后遗憾失败的“萤火一号”，此次天问一号是我国自主发射的第一颗火星探测器。

       为了一步到位，“少花钱，多办事”。我国首次火星探测计划通过一次发射，完成“绕、落、巡”三大探测任务，这是世界航天史上从未有过的。据了解，美国海盗1号、海盗2号火星探测器也仅仅是通过一次发射实现了环绕、着陆两种探测目标。

       为此，天问一号集成了一个“三套餐”组合。包括火星轨道环绕器、着陆器、巡视器（火星车），将分别实现“火星环绕”、“火星表面降落”、“巡视探测”三项探测任务。

▲3D演示我国火星探测实施步骤，视频来源：北京青年报

       这也是天问一号明显不同于另外两个火星探测器的地方。据悉，美国将发射的“毅力号”是由着陆器和巡视器两部分构成，而此前阿联酋升空的“希望号”则只有环绕探测器。

       天问一号除了完成这三大探测任务之外，还设定了5大科学目标，包括空间环境、形貌特征、表层结构等研究。

落地7分钟有多“恐怖”？

       整个火星探测任务中，最难的是便是着陆这一关。由于地火距离遥远，因此火星探测器需要完全自主导航控制完成着陆之旅。

       着陆器在“奔火”的途中一直处于高速飞行状态，因此在再入、下降与着陆过程种，要在7分钟内将探测器的时速从2万千米降低到零。

       正是这个过程，被称之为“恐怖7分钟”。这一阶段，探测器的防热措施是否可靠，降落伞、气囊和缓冲火箭等能否按程序工作都至关重要。

▲火星探测器着陆动画示意。来源：央视新闻

       而由于着陆过程时间太短，远不够完成一次地火通讯。这就意味着全程超过1000个动作的降落过程必须依靠火星探测器自主完成，对软件和硬件的要求极高。

▲我国首辆火星车亮相！来源：央视新闻

       然而，茫茫深空中，失之毫厘，谬以千里。

       历史上许多探测器都在这“恐怖7分钟”里功亏一篑。例如2016年10月20日，欧洲“火星生物学-2016”中的“夏帕雷利”，因为1秒的计算失误导致降落伞与防热罩提前分离，最终硬着陆而撞毁。

       因此虽然着陆器降落时间短暂，但它的成功与否，却直接决定着整个火星任务的成败。

我们为什么一定要去火星？

       月球之后，人类选择下一个目标往往是火星，原因在于它的自然环境与地球最为相似。

       因此火星被视作除地球外有可能孕育生命的星球之一，也被认为是未来人类最有可能移居的行星，这些都吸引着多个国家去探索这颗神秘星球。

▲火星表面示意图。来源：科技日报。

       从20世纪60年代起，人类就开始不断地向火星发射探测器，然而成功着陆火星的国家只有美国。

       火星探测作为航天强国的重要标志之一，在这一深空探测的科学浪潮中，又岂能少了中国的身影？

       如果说此前探测月球只是“热身运动”，是为探测火星作准备，那么经过多年来的打基础、练技术，目前的中国已具备开展自主火星探测的能力。

       天问一号，成功升空，仅仅是迈向深空的第一步。数月后，如果我国天问一号的任务圆满成功，那么我国将成世界上第二个登陆火星的国家，也代表着我国深空探测技术水平站到了世界前列。

       回首50载，中国航天，逐月追星，步履从未停歇。

       人类航天的未来，必将是宇宙的星辰大海。

       火星，我们来了！

参考资料：
1.《“天问一号”就位！目标：火星！》，中国经济网，2020年7月17日
2.《近期“扎堆”火星探测为哪般？》，中国新闻社，2020年7月19日
3.《一次性实现“绕落巡”三步走！中国首次火星探测为啥这么牛？》，科技日报，2020年4月24日
4.《为了去火星，你知道天问一号有多努力吗？》，果壳，2020年5月6日
5.《“天问一号”发射在即，我们为什么要去火星？》，中国科普网，2020年7月18日

来源：新华网思客
策划：刘娟
监制：李晓云
作者：郭建伟 舒克凡
校对：祁丽君