“GO TO MARS TOGTHER！”刚刚，中国火星探测任务“天问一号”成功发射，开启了我国对火星的首次探测之旅，中国的深空探索又向前迈进了一步。
北京时间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。
火箭飞行约2167秒后，成功将探测器送入预定轨道，开启了火星探测之旅。
“天问一号”是我国首次自主火星探测任务，是中国航天走向深空的里程碑工程。与其他任何国家首次火星探测任务不同，“天问一号”要实现“绕”“落”“巡”的三连任务，当属全球首次。
火星探测器在升空后，根据测算，最优转移轨道需要203天，也就是6个月零19天，即在2021年2月11日被火星引力捕获。
按照探测器速度，取最优减速轨道以及绕火星探测事件，预计在2021年4月23日开始实施火星着陆。
在到达火星之后，火星车的设计寿命是90个火星日，火星的一天比地球的一天略长一点，大概是24小时37分钟，90个火星日也就是地球上三个多月的时间。
如果“天问一号”能够成功登陆火星，这将使得中国跻身太空精英强国之列，成为太空探索的引领者。
然而，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。
火星，这颗孤独的星球，等着我们的拥抱。
成败关键：“恐怖7分钟”
纵观人类的航天史，人们似乎一直对火星、月球“情有独钟”。全球已经有了40多次火星探测活动，但成功和部分成功的任务仅有22次，成功率大约40%。因此，火星有着“航天器坟场”之说。
但是火星对人类的诱惑太大了。
▲图片来自网络
2010年8月，8位院士联名向国家建议，开展月球以远深空探测的综合论证。为此，国家国防科技工业局立即组织专家开展了发展规划和实施方案论证。
中国国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言曾撰文写道，首次自主火星探测是深空探测的起点和重点，实施方案经过三轮迭代和深化，在2016年1月正式立项实施。
2016年8月，火星探测任务名称和图形标识全球征集活动启动，经过网络投票，“天问”排名第一，得票31.7万余张。
2020年“中国航天日”启动仪式上，备受关注的中国首次自主火星探测任命被正式宣布命名为“天问一号”。
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根据计划，我国首次自主的火星探测任务非常重，任务由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成，目标是通过一次发射任务，完成绕、落、巡这前三个步骤。
“这将是世界上首次自主探索火星即完成软着陆的任务。”中国科学院紫金山天文台研究员季江徽曾接受《科技周刊》采访时表示。
中国航天科技集团五院深空探测和空间科学首席科学家、中国科学院院士叶培建曾向媒体表示，中国如果想要实现超越，需要利用现有的技术实现“两步并成一步走”。
但是，“一石二鸟”背后是更高的挑战和更大的风险，国际鲜有先例。
首先，是将火星探测器送上太空的火箭。
这次“天问一号”搭载的是长征五号火箭，是我国最大运力的运载火箭，广大网友爱称其为大火箭“胖五”。2016年长征五号运载火箭首飞成功，截止目前，总共发射了三次，失败一次。
▲图片来自网络
相比于月球，火星距离地球更加遥远，而且火星和地球两者的距离会不断的变化：地球和火星位于太阳两侧时最远距离大约4亿公里，而位于太阳同侧最近时有5460万公里远（是月球的150倍远）。
“天问一号”探测器奔赴火星，并不是走直线，而是通过火箭的运力将探测器送入椭圆形轨道，在这个过程中将一直处于高速飞行状态，需要“长途奔袭”10个月，2021年才能到达火星。
其次，到达火星之后，探测器将迎来决定成败的关键挑战。
“火星探测最大的难点在于’恐怖7分钟’，在进入、下降与着陆过程中，要在7分钟内将探测器的时速从2万千米降低到零。这需要融合多种减速手段才能实现，包括气动外形、降落伞和反推等，也需要自主导航控制技术来保证。”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张伟曾对《科技日报》表示。
据了解，在着陆前，探测器需要先将速度降下来，从4.8公里/秒减速到460米/秒，相当于先来一个急刹车。
▲来自网易科技
接着，探测器打开降落伞，用90秒的时间将速度再降到95米/秒。
▲来自网易科技
最后，进入“着陆缓冲段”，这会儿探测器需要悬停避障，对火星表面进行观察，看一下地面有没有坑、大的石头，保证落地安全性。
▲来自网易科技
“目前国际上主要有两种减速方式。我国根据探月工程中的技术经验作为基础，将通过4个阶段逐步减速，最终使探测器平稳到达火星表面。”中国科学院院士、航天科技集团科技委主任包为民曾向媒体透露，第一阶段为气动减速，第二阶段开降落伞，第三阶段动力减速开反推，第四阶段悬停避障；着陆器在火星表面软着陆成功后将释放火星车。
登陆火星是最具挑战之一，由于火星拥有大气层，要防止着陆器在下降过程中变得过热；而且仅凭落伞无法使着陆器减速，还需要减速火箭。在此前18次火星着陆任务重，仅有10次取得了成功。
在成功着陆之后，探测车将进行“拍照留念”、探测物质和元素、探测环境和侦测火星浅层地质结构，以及探测火星气象等。
▲来自网易科技
▲火星探测器在火星表面示意图（来自《科学》杂志报道）
火星车上，竖立在前端的桅杆顶端的方形设备就像机器人的脑袋，上面有实时探测的全景相机，可以帮助火星车避开障碍。另外，火星车上还有4个大的太阳能电池板，以及探测雷达、磁场探测仪和气象测量仪，可以对火星进行全方位的探测车。
依照计划，火星探测器寿命只有短短90个火星日，火星日比地球一天略长，为24小时40分钟，也就是三个月的时间。
至此，“天问一号”火星探测器即可完成其使命。
人类“第二家园”
正如上文所说，登陆火星是如此艰难，但依然未能阻止人类探索的脚步。为何？
作为太阳系的行星之一，火星与地球在环境等方面的相似性，使得人们对火星探索一直抱有浓厚兴趣。
专家表示，火星不仅有大气，也有适宜的温度，和地球也有着相似的自转周期。研究火星可以给人类带来很多启示，极具价值的基础研究。
国外媒体曾经发表文章称，科学家在火星南极冰盖下发现了液态水存在的证据。这一发现更是激起了人们对火星的探索热情。
“火星是太阳系内与地球特点最为接近的行星，是人类未来移民的首选地。”张伟接受媒体采访时表示。
这意味着，火星将是人类的“第二家园”。科学家甚至都已经提出了火星改造方案。
此次，除了中国的“天问一号”探测器之外，美国的“毅力号”火星车和阿联酋的“希望”号火星探测器，也定在了7月份发射，而原定于今年探测火星的欧洲与俄罗斯合作已宣布推迟到2022年。
为何各国都选择了此时发射？
▲来自网易科技
据了解，每隔两年，全球都会迎来一次火星探测高潮，原因在于地球与火星位置的关系，每26个月火星会有一次距离地球最近的机会，距离只有5500万公里，这也是发射火星探测器的最佳时间窗口。
此时实施火星探测，探测器飞行的路线最短，最省燃料。如果错过此次发射，就要在等26个月，下次发射窗口要等到2022年9月。
移民火星还要多久？
既然火星是人类孜孜不倦追求的“第二家园”，何时人类才能够移民火星呢？
商业火箭公司SpaceX的创始人马斯克曾经提出个火星移民计划：希望在火星建立社区，他还喊出如果把一个人的移居成本控制在20万美元左右，预计地球上最少会有2万人愿意移民外星球。
▲图片来自网络
“北斗女神”徐颖在做客网易科技携手吉利ICON汽车打造的《开杠吧》节目时曾表示，火星是我们的邻居，火星也是我们离太空最近的一个梦想。但是，如果人类真的想移民到火星上来生活的话，还有很多事情要做。比如解决物理层的问题，解决火星环境问题，包括火星大气问题。
“其实已经有科学家提出了火星移民的整体改造方案。大概多少年可以对火星改造完毕，移民火星，我觉得这个单位要用千年为单位计量。”徐颖认为。
雨果奖获得者、科幻作家郝景芳也在《开杠吧》节目中表示，在可以预见的未来，人类即使移民火星，也一定是在封闭环境下有限资源条件下的生存。
这就意味着火星生活不可能是非常自由的，一定是将所有人束缚在一个有限的空间里。这样才能保证可呼吸和空气，可分配的食物，能源和最高效的物资调配方式。
▲图片来自网络 火星生活想象图
“所以，这样营造出来的生存空间和社会，和我们地球上极大丰富的世界资源非常不一样，也会非常经济有效的方式去运行，火星上的社会几乎肯定是科学家工程师和高级知识分子创造出来的社会，也一定是一个非常信息化的社会。”郝景芳认为。
如果有生之年，可以移民火星，你的选择会是什么？
参考资料：
科技日报《天问一号：在探火路上来一次“后发先至”》
新华报业网《首次火星探测任务将进行 “天问一号”，一次实现“绕落巡”》
科技日报《成功率不到一半 为什么人类在如履薄冰中“探索火”》
中国青年报《“天问一号”将向火星进发 中国行星探测为何首探火星》
果壳《为了去火星，你知道天问一号有多努力吗？》
央视新闻客户端《中国首辆火星车来了》
中国航天科技集团公众号
网易科技《逆向思维》第十期
小火箭公号《人类探索火星发射时机与抵达时刻计算图表》
有成有败 一张图看懂各国火星探测“处女秀”
日月之外人类最早注意到的天体之一，这颗火红色的星球从古至今一直吸引着人类的目光。
中国古人将火星称为“荧惑”，古埃及直接称火星为“红色的那颗”，现在火星的英文“Mars”则是古罗马神话中战神“玛尔斯”的名字。
从肉眼到望远镜再到发射探测器，为了增加对这颗神秘星球的认识，人类充分发挥聪明才智。
为什么最近各国扎堆去火星?一文讲清火星发射窗口
最近火星发射档期有点满。阿联酋的“希望”最先启程，中国紧跟着发出“天问”，美国则把“毅力”留到了7月底。要不是疫情耽搁了，欧空局和俄罗斯合作的“罗莎琳德·富兰克林”原本也会凑这个热闹。 为什么去火星要扎堆？原来，2020年7月下旬至8月上旬是本轮的火星发射窗口，错过了这段时间，那就要像欧空局一样等到26个月之后了。
火星发射窗口与火星、地球、太阳的相对位置有关。要掌握出这些天体的“谜之走位”，我们才能找到一条省时又省油的最佳路线。
地火最近
众所周知，太阳系现在有八大行星，从里往外，地球排老三，火星排老四，是个块头比地球小的红色邻居。
根据向心力公式和引力公式，我们可以得出越外圈的行星角速度越小。因此，火星绕着太阳跑圈要比地球慢上一拍，公转周期约为687个地球日。地球有时候在追赶火星，有时候又在远离火星，大约每26个月会相遇一次。地火距离最近时5600万公里，最远达到4亿公里。以地球视角，在地球“超车”火星的那段时间，火星会短暂出现“逆行”。
正因如此，火星在中国古称“荧惑”：颜色荧荧似火，行踪令人迷惑。插句题外话，由顺行转逆行/由逆行转顺行的那段时间，火星会在视觉上呈现出短暂的停留。如果停留的位置正好是心宿（天蝎座），就是古人认为大凶的星象“荧惑守心”。
言归正传。要找出火星发射窗口，我们直观上的第一考虑是火星和地球之间距离最近的时刻，即“地火最近”。
每隔大约26个月，地球会行进到太阳和火星之间，连成一条直线，称作“火星冲日”。在这段时间，每当太阳刚从西边落下，火星就从东边升起。而每当太阳从东边升起，火星又恰好从西边落下，因此整夜可见。并且，此时火星在夜空中十分明亮，是观赏火星的最好机会。
如果行星轨道是个正圆，那日地火三点一线时，显然也正好是地火最近。但在现实中，地球和火星的轨道都是椭圆形，且火星的轨道比地球还要略扁平一些。因此，“火星冲日”和地火最近并不一定重叠。
“地火最近”与“火星冲日” 来源：NASA 下同
从上图就可以看到，2016年5月22日发生火星冲日，但5月30日才是地火最近。
大约每隔15到17年，火星冲日会发生在火星近日点附近，称作“火星大冲”。此时，地火距离也会格外地近。由于地球轨道和火星轨道并不完全处于同一平面上，且受到其他天体的引力影响不断微调，“火星大冲”时的地火距离也非固定。
火星轨道和地球轨道不在一个平面
上两次火星大冲发生在2018年7月和2003年8月。2003年的那次火星大冲，地火距离缩到了约5576万公里，为近6万年来最短！
省油轨道
那么，我们是不是该在地火最近的时候发射火星探测器呢？其实并不是。除了时间成本，科学家和工程师们还要考虑重要的燃料成本。
火星探测器并非直线扑向火星，在地球引力和发射动力的双重影响下，它以一道曲线进入太空，点火进入一个轨道，随后熄火进入惯性滑行，等待火星来到之后，再点火推进。
这中间的路线设计可以有多条，但最省燃料的一种就是“霍曼转移轨道”。通过这种方式，飞行器可以关闭引擎滑行最长的距离。
如下图所示，霍曼转移轨道是以太阳为其中一个焦点的椭圆轨道，与低轨道（地球轨道）和高轨道（火星轨道）都相交。
当地球运行到霍曼转移轨道的近日点，飞行器启动发射，加速离开低轨道；而当火星运行到霍曼转移轨道的远日点，飞行器启动转移，加速进入高轨道。
霍曼转移轨道
当然，飞行器必须在精确的时间窗口内发射，才能恰好在霍曼转移轨道的远日点和火星相遇，被火星引力捕获。这就好像大范围转移传球，需要预判队友的跑位。合适的出脚机会，也是每26个月出现一次。
下一次红色星球降临霍曼远日点的日期，是2021年2月11日。也就是说，这一批发射的探险勇士们，还要漂泊将近7个月。
b>“天问一号”发射现场燃爆！它的使命和其他火星探测器有啥不一样？
就在刚刚，2020年7月23日12时41分，我国首次火星探测任务“天问一号”火星探测器在海南文昌航天发射场发射升空，发射现场非常壮观！
发射现场，图片来源@人民网
发射现场，图片来源@人民日报
从7月中旬开始，各航天大国都开启了今年密集的排队去火星的行程，最先拉开序幕的是阿联酋航天局，2020年7月20日5点58分，阿联酋航天局的“希望号”火星探测器在日本鹿儿岛县种子岛太空中心发射升空。 我国的“天问1号”刚刚成功发射，而大洋彼岸的美国宇航局的下一个火星车“毅力号”也将于7月30日发射升空。
火星探测器扎堆发射，那么，探测器是如何被送往火星的，到达火星后它又如何工作？人工智能能帮助“天问一号”克服哪些困难？中、美、阿联酋的火星探测在哪些方面存在差异？
让我们跟随专家的解读，深入了解火星探测的那些事。
01
火星探测器到底是如何被送往火星的？ 火星探测器发射约5-6小时之后，将穿越地球磁层顶，进入行星际空间，开始漫长的（约8个月）奔向火星的飞行过程，即地-火转移过程。
火星探测器经过约8个月的漫长旅途到达火星后，经过多次变轨进入环火轨道，并向火星表面释放着陆器和火星车，开展火星表面的巡视探测等任务。 在火星周围与火星表面，存在明显与地球不一样的空间环境，可对火星探测器产生重要影响。 环绕器环绕火星飞行后，要与着陆巡视器分离，进入任务使命轨道，开展对火星全球环绕探测，同时为着陆巡视器开展中继通讯。
接着，着陆巡视器进入火星大气后，通过气动外形减速、降落伞减速、反推发动机动力减速、多级减速、着陆反冲后，软着陆在火星表面。
图片来源@震长
02
进入火星后，火星车都会在哪些方面对火星进行考察，如何来实现对目标任务的探测？ 今年我国就将实施火星探测任务“天问一号”，按照计划，火星探测器要一次性完成“绕、落、巡”三大任务，这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。 我国实施首次火星探测任务，目标是获取最新的火星探测成果，深化人类对火星乃至太阳系的科学认知，推进比较行星学等重大问题研究。
然而，我国第一次火星探测就要完成“绕、落、巡”三大任务，这在世界航天史上还没有先例。 我国火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成，总质量约5t。环绕器配置中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、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台科学载荷，对火星开展全球性、普查性探测。
“天问一号”着陆器及巡视器
图片来源：CNSA
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，火星车配置多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机共6台科学载荷，在着陆区开展巡视探测。
03
火星上存在很多不可控性，着陆过程难点重重，这一过程借助到了人工智能，具体体现在哪些方面？
为了保证火星着陆巡视器能安全、平稳地着陆在火星上，科学家为其设计了四个关键步骤：
第一步，气动外形减速。使其在进入火星稀薄的大气时，能产生足够大的阻力，并且还不会翻车、乱撞、倒向飞行。
第二步，降落伞减速。着陆巡视器配备了一个全自动的降落伞，在减速到一定程度时，它会自动打开。
第三步，动力减速。着陆巡视器携带的发动机会在合适的时机在运动的反方向启动，对其自己产生反推力，从而达到减速的目的。
第四步，当运行到距离火星表面100米左右时，着陆巡视器的速度要减到相对为零，进入悬停状态，利用探测器所携带的相关仪器设备，对下方的着陆区进行选择，尽量寻找一个相对安全的地方着陆下去。
我国火星探测器示意图，图片来源国家航天局
到了距离火星表面一两米的时候，着陆巡视器会启动一个着陆反冲装置，俗称“着陆腿”，靠它来降低其着陆时产生的振动力。
火星探测器飞行距离远，最远距离地球4亿公里；飞行时间长，地火转移飞行约10个月，环火探测约2年；同时受地球、火星、探测器相对运动和地面站分布的影响，测控通信难以全空间覆盖。
在环火探测中会经历2次日凌，通信中断最长达到30天；测控信号传输时延大，最短超过3分钟，最长达23分钟，特别是执行近火捕获、两器分离等决定任务成败且只有一次机会的轨道控制时，探测器距离地球约3亿公里，信号时延15分钟以上，由地面进行实时测控干预的条件已不存在，探测器必须自主执行预先注入的指令，并自行判断指令执行的效果。
一旦发现问题，必须在极短时间内根据自测量信息，进行自诊断，并完成故障的自恢复，对探测器自主导航、管理与控制的能力提出了更高要求。
为此，开展了火星安全捕获制动控制，两器分离与安全升轨控制、长期自主管理和控制策略与方法等专题研究和验证，提升探测器的自主能力。
04
火星探测热潮在中、美、阿联酋掀开，这次火星探测，三国在哪些方面存在哪些差异？
“天问一号”的主要任务是发现火星上的生命迹象，评估整个火星表面的环境；与火星飞行器联合产生火星表面的地形图，其中包括土壤的特征、物质组成等一些其他的科学数据。
“阿联酋火星任务”具体的科学目标是通过表征火星低层大气来了解气候动态和全球天气图；通过将低层大气条件与高层大气相联系，说明天气如何改变氢和氧的逸出；了解高层大气中氢和氧的结构和变化，并确定氢和氧为何会从火星逃逸至太空。
“希望号”探测器
而美国“毅力号”探测车的主要任务则是继续搜索火星上是否有生命曾经生活过的迹象，采取样本以待未来送回地球，交给科学家分析；此外，它还会描绘火星的气候和地址特征，为人类未来登陆火星做好铺垫。
我国“天问一号”发射成功是开展火星探测任务的开端，祝“天问一号”此后的火星征途顺利！
