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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(fā)射場成功發(fā)射。

這是我國首次自主執(zhí)行火星探測發(fā)射任務(wù)，并且也是長征號運載火箭首次執(zhí)行【地-火轉(zhuǎn)移軌道】發(fā)射。

長征運載火箭搭載天問一號發(fā)射成功，圖片作者：江程杰

自2016年初火星探測項目立項之后，中國在短短四年之間就建立起了包含環(huán)繞飛行器、著陸器、火星車等設(shè)備的火星探索基礎(chǔ)體系。

當然，除了中國的【天問一號】其他航天強國也沒有閑著。阿聯(lián)酋的首顆火星氣象衛(wèi)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(fā)，預(yù)計將在8月15日之前完成發(fā)射。

那么問題來了，為什么人類選擇探索火星？為什么近兩個月來各國會集中向火星發(fā)射探測器？中國的火星探測進程在世界范圍內(nèi)處于什么位置？

為什么是火星？

實際上，人類最早的行星探索之旅的第一目標并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(zhì)量為地球的82%、密度為地球的95%、重力為地球的90%。在太陽系里，金星可以說是跟地球看起來最相像的一顆星球，甚至有科學(xué)家將之稱為地球的『孿生姐妹』。

1967年，蘇聯(lián)的金星4號探測器成功進入了金星大氣層，但是當探測器著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(lián)系。而在之后的兩年，蘇聯(lián)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(xù)三次著陸失敗，讓蘇聯(lián)人明白要想成功登陸金星必須要一臺【抗壓】能力足夠強的探測器。

前蘇聯(lián)的金星五號探測器，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

一年后，能夠承受180個大氣壓強的金星七號終于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，平均溫度高達475°，并且沒有液態(tài)水的存在。也就是說，這個星球并不具備人類生存三要素：【氧氣】、【水】、【溫度】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(wǎng)絡(luò)

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(zhàn)神馬爾斯（Mars）為其命名，而古代中國人則將其稱之為熒惑。

在天問一號項目啟動之前，美國宇航局、歐洲航天局都對火星進行了深入調(diào)查，掌握了火星表面的大部分地貌情況，并且對火星大氣有了深入研究，發(fā)現(xiàn)火星大氣壓強僅為地球氣壓的0.6%，相當于地球表面35公里的氣壓，非常稀??；火星地表溫度晚上會降低到零下132攝氏度，赤道一些地區(qū)會高一些，平均在零下52攝氏度，但其白天溫度可達28攝氏度，一些地區(qū)可滿足液態(tài)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(xué)的辦法制備氧氣。

雖然現(xiàn)在的火星并不適合人類生存，但是其已經(jīng)基本具備人類生存三要素。這也就意味著人類在可預(yù)見的未來具備在火星上建立殖民基地的條件。

火星表層存在大量干冰和冰水混合物，構(gòu)成了人類殖民的基本條件，圖片來自NASA

從外空資源開發(fā)的角度看，遵循誰先到誰先開發(fā)的原則，中國迅速建立火星探測任務(wù)體系，也是為今后火星資源的利用奠定基礎(chǔ)。

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(fā)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(xiàn)在正值火星探測的發(fā)射窗口，如果錯過，下一次就等到到 26 個月之后了。

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(xué)的專業(yè)術(shù)語解釋就是火星的公轉(zhuǎn)軌道高于地球。這也導(dǎo)致地球與火星的公轉(zhuǎn)周期大不相同，因為兩顆星球的公轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)

但是，如果探測器在【火星大沖】時發(fā)射的，那就需要火箭從地球出發(fā)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，要想脫離自有公轉(zhuǎn)軌道需要非常多的燃料，對于目前的航天技術(shù)來說，還沒有任何一個國家能研發(fā)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(xué)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(fā)明的航天器進行軌道轉(zhuǎn)換時的方案。簡單來說，就是將轉(zhuǎn)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(fā)射的飛行器沿著這一軌道飛行，最終與目標行星交會。

著名的【霍曼轉(zhuǎn)移軌道】，圖片來自NASA

這種轉(zhuǎn)移方法要求航天器轉(zhuǎn)移軌道和地球公轉(zhuǎn)軌道相切的地方進行加速變軌，從而脫離地球的引力進入轉(zhuǎn)移軌道。而航天器在轉(zhuǎn)移軌道運行的過程中由于天體間相互的引力作用幾乎不需要燃料，當航天器抵達轉(zhuǎn)移軌道與火星公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移方法就是著名的【霍曼轉(zhuǎn)移軌道】。

【霍曼轉(zhuǎn)移軌道】是目前探測火星最節(jié)省燃料，也是最高效的一條飛行路徑。

這一路線需要太陽、地球和火星處于相對合適的位置，但并不是在連成一線時。而達成這一位置的周期同樣是 26 個月左右。按照這個飛行軌跡，今年發(fā)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(lián)酋的火星探測器也在這個月發(fā)射。而歐洲與俄羅斯合作研發(fā)的ExoMars火星漫游車，預(yù)計將推遲到2022年發(fā)射。

在失敗中前進的星際探索

雖然現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)射成功，并且有了「霍曼轉(zhuǎn)移軌道」的助力，但是就此宣布中國首次火星探測任務(wù)成功還言之尚早。

中國空間技術(shù)研究院研究員龐之浩曾說，探測器進入火星軌道的難度，相當于從巴黎打一個高爾夫球要正好落到東京的某個球洞里一樣。一名美國科學(xué)家則曾形容，火星探測器著陸時的心情就好像丈夫在產(chǎn)房外等待妻子分娩一樣?？梢娀鹦翘綔y任務(wù)的難度之大。

要知道，中國第一臺火星探測器就是在進行脫離地球軌道變軌時出現(xiàn)了差錯，從而導(dǎo)致整個計劃失敗。而成功進入「霍曼轉(zhuǎn)移軌道」后，在七個月的太空航行時間中，也有可能隨時發(fā)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(wù)中最難過的坎。

前蘇聯(lián)火星三號探測器，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

截止2011年蘇聯(lián)（俄羅斯）總共發(fā)射過20次火星探測器，幾乎全部失敗。唯二的兩次部分成功，都在探測器著陸之后損壞。目前蘇聯(lián)（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(jù)中國科學(xué)院院士、航天科技集團科技委主任包為民介紹，天問一號著陸火星主要分為氣動減速、傘系減速、動力減速、著陸緩沖 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(nèi)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(dǎo)致過于高溫，角度太低則無法進入。

接著降落傘就要打開了，在 90 秒內(nèi)將速度降至 100 米 / 秒以下。當著陸器距離火星地表 3-5 公里時，啟動反推發(fā)動機，拋掉大底和背罩，露出著陸平臺和火星車，逐步減速到 3.6 米 / 秒。

最后 100 米，著陸器要自主檢測避開障礙物，尋找安全的著陸地點。在與火星接觸的瞬間依靠四條著陸腿來緩沖和吸收最后的沖擊，保證平穩(wěn)著陸。

以上幾個階段，只要某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就可能前功盡棄。

天問一號火星任務(wù)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(fā)出的指令需要多達幾十分鐘才能送達火星探測器，而這整個著陸過程僅有7-8分鐘，也就是說，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(xué)家們戲稱為【黑色七分鐘】。

人類44次的火星探索任務(wù)中，一共有15次嘗試在火星地表著陸，只有8次成功。

三步并作一步走，天問或?qū)崿F(xiàn)彎道超車

盡管難度如此之大，但是各國對于火星的探索卻從未止步。那么，各國的火星探索現(xiàn)狀如何，中國在這場火星競賽中又扮演什么樣的角色呢？

整個火星探索任務(wù)中，根據(jù)任務(wù)的形式不同，可以將任務(wù)分為繞（衛(wèi)星繞火星飛行）、落（讓著陸器降落在火星地表）、巡（派出火星車在火星上續(xù)航）。這三個任務(wù)難度依次遞增，目前全世界能夠完全做到【繞落巡】任務(wù)的國家只有美國。

美國：豐富的成功經(jīng)驗+天才的馬斯克

美國目前有五個探測器在火星運行，其中包括三個衛(wèi)星：火星奧德賽號、火星偵察軌道器、火星大氣與揮發(fā)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(lǐng)先。

美國好奇號火星車，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

并且，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(jīng)進行了至少11次測試，原型機建造到星艦SN9階段，預(yù)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(yù)計飛行20公里高度，一旦成功將可能轉(zhuǎn)入試飛型號生產(chǎn)，并在2030年左右登陸火星。并且，馬斯克和他的SpaceX已經(jīng)成為了世界上第一個將宇航員送入太空的個人商業(yè)公司，其未來的能量不可估量。

前蘇聯(lián)：第一個吃螃蟹的人，就舔了下殼

排名第二的就要數(shù)前蘇聯(lián)了，1962年蘇聯(lián)發(fā)射的“火星1號”探測器被公認為人類邁向火星的第一步。在此之后蘇聯(lián)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(wù)幾乎全部失敗。

其工作時間最長的火星著陸艙也不過20秒，但是也算完成部分完成了【落】任務(wù)。

歐洲航天局和俄羅斯：歐洲老傳統(tǒng)，錢不夠就延期

2004年2月，歐洲航天局正式公布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(nèi)，也就是2033年之前登陸火星。

ExoMars火星車概念圖，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

然而，原本定于2018年的【ExoMars】火星車計劃由于財政壓力延期至2020。今年年3月12日，歐空局和俄羅斯宇航局又宣布【ExoMars】延期，ExoMars 2020在歐空局官網(wǎng)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，這是一顆衛(wèi)星探測器，也是蘇聯(lián)解體后歐洲在火星探測方面最大的成就了。

阿聯(lián)酋和印度：阿拉伯和亞洲的驕傲

而印度和阿聯(lián)酋都先后發(fā)射了自己的衛(wèi)星型火星探測，印度的“曼加里安”火星探測器于2014年成功進入火星軌道，并發(fā)回所拍攝的火星照片，從而成為繼蘇聯(lián)、美國和歐洲之后世界第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(wù)。

阿聯(lián)酋希望號火星探測器，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

本月，阿聯(lián)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(fā)射成功，開啟前往火星之旅。如果任務(wù)成功，那么【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(lǐng)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(chuàng)舉，在一次發(fā)射中同時完成【繞落巡】三大任務(wù)。

這三項任務(wù)其實早在幾十年前就已經(jīng)有國家實現(xiàn)，但都是分多次完成，從來沒有哪個國家可以在一次任務(wù)同時實現(xiàn)，一旦實現(xiàn)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、氣候等被了解，但更離不開我國在航天技術(shù)上的進步。

一旦這次任務(wù)成功，中國將成為繼美國后，世界上第二個獨立掌握火星著陸巡航探測技術(shù)的國家。也將是世界上第一個在一次發(fā)射中同時完成【繞落巡】三大任務(wù)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(fā)出列如【九天之際，安放安屬？】的天問。