中国航天再创历史！首次自主火星探测正式启程

北京时间23日中午12时40分，长征5号运载火箭搭载“天问一号”探测器从海南文昌卫星发射中心发射升空，这也是中国发射首次火星探测任务。

经过不到1小时的飞行，“天问一号”探测器成功进入预定轨道，在与火箭分离之后，独自沿着抛物线轨道飞往火星。预计经过7个月的飞行，“天问一号”探测器将到达火星附近。

人类对火星的探测任务起始于 20 世纪 60 年代，截至目前共实施了 44 次活动，其中美国和苏联/俄罗斯进行了绝大多数的探测任务。探测方式主要包括“绕”“落”“巡”三种。但在一次任务中就完成环绕火星飞行、火星软着陆以及火星表面巡视，在世界航天史上都是绝无仅有的。

这也正是“天问一号”要进行的历史性尝试。

此次前往火星的“天问一号”将完成5大科学任务：

1、研究火星形貌与地质构造特征。探测火星全球地形地貌特征，获取典型地区高精度形貌数据，开展火星地质构造成因和演化研究。

2、研究火星表面土壤特征与水冰分布。探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布，搜寻水冰信息，开展火星土壤剖面分层结构研究。

3、研究火星表面物质组成。识别火星表面岩石类型，探查火星表面次生矿物，开展表面矿物组成分析。

4、研究火星大气电离层及表面气候与环境特征。探测火星空间环境及火星表面气温、气压、风场，开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究。

5、研究火星物理场与内部结构。探测火星磁场特性。开展火星早期地质演化历史及火星内部质量分布和重力场研究。

中国在火星探索上的首次尝试是在 2011 年，当年中国与俄罗斯、欧洲在火星探索领域开展了国际性合作，中国开发的“萤火一号”火星探测器搭载在俄罗斯的福布斯-土壤探测器当中，计划一同前往火星，进行环绕探测任务。

但遗憾的是，由于后续俄方的探测器在与火箭分离后未能成功变轨，“萤火一号”和福布斯－土壤探测器最终未能脱离地球轨道，于次年 1 月在太平洋坠毁。

2016 年，中国正式启动自己的火星探测计划。而 2020 年的时间窗口将是进行探测任务的绝佳时间点。从位置和距离来看，每隔 26 个月的时间，火星就会到达距离地球最近的地方，这也就成为了火星探测的时间窗口，时间约为一个月。因此，错过了一个时间窗口就需要再等上两年多。

在成功发射之后，“天问一号”预计将在飞行约7个月时间后到达火星附近，通过一系列制动和变轨开始探测任务。

天问一号

“天问一号”是由火星环绕器和着陆巡视器所组成，共装载了13个有效载荷。

要去到遥远的火星，实现一系列的变轨、制动以及长期的探测任务，整个天问一号探测器的质量超过了5吨，其中主要包括了环绕器和着陆巡视器。相比之下，阿联酋在20日率先发射的希望号探测器质量不到2吨，将在火星轨道上进行环绕探测。

为了完成环绕探测科学任务，天问一号环绕器配置了中分辨率相机、高分辨率相机、环绕器次表层探测雷达、火星矿物光谱分析仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪共7种有效载荷，并配备一台环绕器载荷控制器对载荷进行控制和管理，对火星开展全球性、普查性探测。

在未来的探测任务中，环绕器将在中继通信轨道上为火星车提供中继通信链路，兼顾开展科学探测，运行90个火星日后，进行轨道调整，开展科学探测，并兼顾火星车中继通信。

环绕器主要完成以下5项科学任务：

1、火星大气电离层分析及行星际环境探测。

2、火星表面和地下水冰的探测。

3、火星土壤类型分布和结构探测。

4、火星地形地貌特征及其变化探测。

5、火星表面物质成分的调查和分析。

着陆巡视器由进入舱和火星车组成，进入舱完成火星进入、下降、着陆任务。为了完成巡视探测科学任务，火星车配置了火星表面成分探测仪、多光谱相机、地形相机、火星车次表层探测雷达、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪共6种有效载荷，对火星进行遥感探测和区域精细探测。通过集成一体化设计的载荷控制器对载荷进行控制和管理。

火星车和着陆平台组合体与环绕器分离之后，将要自主完成减速和降落的全过程，因此着陆巡视器配备了降落伞和反推发动机，选择安全地点降落则需要平台上的控制系统和推进系统共同配合完成。

图 | 火星车 1：1模型

火星车最引人瞩目的就是竖立在前端的桅杆，顶端的方形设备就像机器人的脑袋。

桅杆足有60多公分， 这个桅杆就是踏上火星之后，需要率先展开的部件。顶端的方盒子上还有火星车的眼睛——全景相机和多光谱相机，能看前面的地形地貌，也能帮助火星车避开障碍，还能对前方的矿物质成分进行识别。

在火星车上，还装有4个“大翅膀”，这正是太阳能电池板。除此之外，火星车还配有探测雷达、磁场探测仪和气象测量仪，可以对火星进行全方位的探测。

此外，因为火星上接收太阳的光照要比地球和月球要小的多，翅膀则可以根据太阳光的方向来调整太阳帆板的角度。

火星车的行进速度为200米/小时，而火星车的轮子每转动一圈，对中国火星探测来说就是积累到全新的数据。

火星车对火星进行遥感探测和区域精细探测，主要完成以下4项科学任务：

1、火星巡视区形貌和地质构造探测。

2、火星巡视区土壤结构（剖面）探测和水冰探查。

3、火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探。

4、火星巡视区大气物理特征与表面环境探测。

飞行7个月+恐怖7分钟

地球离火星不远，毕竟它已经是地球为数不多的邻居之一。但火星距离地球其实也很远，探测器的飞行距离需要达到几亿公里，在那样的距离下，从地球向火星发送一个信号，以光速运行的前提下，也需要约23分钟才能到达火星。而我们知道，在小小的地球上，光速一秒就可以绕地球超过7圈。

在“天问一号”坐着长征五号升空，探测器在地球的家门口与长征五号分离，就正式开启了漫长“追”火星的道路，最终经过约7个月的抛物线飞行来到火星附近。

飞行途中需要进行多次调整和修正，对轨道的精度有着极高的要求。有人将其认为，就像跨越太平洋的高尔夫。

捕获：探测器在近火点附近实施制动，实现被火星捕获，进入周期约为10个火星日的环火椭圆轨道。再通过一系列的调整，进入周期约为2个火星日的椭圆停泊轨道。这时候，探测器就需要开始找到预定的着陆地点。

分离：装着火星车的着陆器与环绕器在轨道上正式分离，环绕器随即进行轨道调整，进入中继通信轨道，继续完成环绕火星的探测工作。

环绕器在中继通信轨道上为火星车提供中继通信链路，兼顾开展科学探测，运行90个火星日后，进行轨道调整，进入遥感使命轨道，开展科学探测，并兼顾火星车中继通信。

再入：分离之后的着陆巡视器将进入火星大气，通过气动外形、降落伞、反推发动机等多级减速和着陆缓冲，降落于火星表面，火星车出动，开始巡视和科学探测。

这听起来简单的过程几乎是探测器奔向火星过程中最困难的环节之一，这个着陆的过程也被成为恐怖七分钟。

在远离地球的情况下，探测器和地球的完成最简单信息传输的时间都需要超过15分钟。而整个减速、着陆过程仅为7分钟。意味着探测器需要完全依靠自己的能力完成着陆的全过程，地球上的人则只能等待成功与否的消息。

历史上共有15次任务进入火星大气，仅有8次成功着陆并顺利开展探测工作。

据“天问一号”探测任务总设计师张荣桥介绍，在这恐怖7分钟里，装着火星车的着陆器在进入火星大气层，同时进行气动减速，将速度从2万多公里/小时下降至每秒数百米；着陆器打开降落伞，通过降落伞的拉力在约90秒钟的时间里将速度进一步降到5米/秒；反推发动机开启，在 约80秒内将速度降至3.6米/秒，最后在离火星表面最后100米处悬停，火星车离开承载平台，完成着陆目标，在火星表面开展巡视科学探测。

只有到了这里，“天问一号”火星探测器的使命才正式开始。人类历史上，还从未有任何一个火星任务，在首次发射时即进行绕、落、巡，这给“天问一号”带来了历史性意义，同时也带来了巨大的风险。

火星探索的国际合作

正如前文所说，人类对火星的探索还处在起始阶段。几十个小小的探测器显然无法满足人类对火星的好奇。

就目前来说，成功到达火星的探测器几乎都能带来全新的数据，像是完成拼图一般，不断完善人类对火星的认知。

阿联酋在发射希望号火星探测器之前也表示，探测器获得的所有数据都将与全人类共享。

中国科学院院士、被称为嫦娥之父的欧阳自远曾表示，火星探测的科学问题主要有三个方面：其一是探测火星上的生命活动信息，期待在此领域有所突破，其主要包括火星上现在生命的信息、过去是否存在过生命、火星生命生存的条件和环境等；其二是火星本体科学的研究，为研究火星积累资料，主要包括火星磁层、电离层与大气层的探测与环境科学，火星地形地貌特征与分区，火星表面物质组成与分布、地质特征与构造区划，火星内部结构、成分、内禀磁场探测等；其三是探讨火星的长期改造与今后大量移民建立人类第二个栖息地的前景，为人类社会的持续发展服务。

非盈利组织火星学会创始人、美国著名航空航天工程师罗伯特•祖布林（Robert Zubrin）在最近的一个分享当中表示，探索火星应该由更多的国家完成，也许不是全球所有国家都参与，但也应该是多数国家都参与其中。

与此同时，越来越多私营公司的出现将带来一场太空革命，做到很多以前只有政府能够完成的事情。他认为人类对火星的探索将会是一种奥林匹克式的竞争，有着奥林匹克精神，看看谁能最大限度地推进人类的前沿，而所有人类都将从中受益。