火星竞赛正式开启！史无前例，中国“天问一号”将一次性完成三大任务
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编译丨张二七 杨心舟
2020年是两年一次的火星年，而7月中旬~8月中旬则是今年的火星季，这数周的时间是绝佳的“火星探测器窗口”。在今年10月14日，将迎来“火星冲日”的天文学现象，到时，火星、地球和太阳所处的轨道位置将能形成一条直线，火星和地球的距离也将最近，因此适合高效完成火星探测任务。
之所以说火星年两年一遇，是因为地球的公转周期是365天，火星的公转周期是687天，二者会合周期是779.9天。由于行星公转的非均匀性，可以说地球和火星处于在最近点的时间间隔为780天，就是约26个月，而一旦错过发射窗口就需要再等两年。
当然，如果等到“火星冲日”之时发射探测器就为时已晚，考虑到我们与火星的距离以及地球和火星的公转速度，最佳的发射时间是“火星冲日”之前两个月左右。现在，阿联酋“希望号”火星探测器已经升空，而在未来数周内中国的“火星1号”和NASA的毅力号也将紧随其后。
为了更高效且节省燃料，探测器升空后将会进入霍曼转移轨道，这种最简单的变轨方式适用于中心天体相同的两个圆轨道之间的轨道转移。火星探测器在途中只需要两次引擎推进就可以从地球轨道进入火星轨道，缩减燃料携带量。
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阿联酋“希望号”
北京时间7月20日凌晨5点58分，阿联酋首个火星探测器“希望”号搭乘日本的H-IIA运载火箭，从日本种子岛航天中心发射升空。“希望号”将经过约200天的飞行，于2021年2月抵达火星轨道，并通过探索成像仪、红外光谱仪以及紫外光谱仪对火星气候及天气进行探测研究。这是阿联酋的首次火星探测任务，也标志着新一轮火星探测周期的开启。
中国“天问1号”
7月17日上午，长征五号遥四运载火箭在中国海南文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后，垂直转运至发射区，计划于7月下旬到8月上旬择机实施中国首次火星探测任务（行星探测工程“天问一号”任务）。
这也是我国首次执行火星探测任务，该任务于2016年1月批准立项，任务目标是通过一次发射，实现火星环绕、着陆和巡视探测，获取火星探测科学数据，将迈出我国行星探测的第一步。根据计划，探测器将于2021年2月11~24日环绕火星运行，并于2021年4月23日降落一台火星车到火星表面，进行时长90天的探索工作。
NASA“毅力号”
目前，NASA预计将要在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射“毅力号”，其将于2021年2月18日（美东时间，ET）落在火星耶泽洛陨石坑（Jezero crater）。目前，NASA还没有给出具体发射时间，根据发射时间表，“毅力号”不会早于7月30日（ET）升空，发射窗口期从美东时间7月30日至8月15日（ET）。
欧空局“ExoMars”计划（已推迟至2022年）
该计划包含两个部分，一是2016年已经发射的痕量气体轨道器（Trace Gas Orbiter），二是原本预计在2020年升空的火星车和火星表面平台。但由于各方因素，欧空局宣布火星探测任务延期。新的预计发射时间为2022年9月。
艰难的任务
就在今年的“火星探测器窗口期”，中国计划进行首次火星探测任务“天问一号”。
通常来说，火星探测有三种方式：在轨道上绕火星飞行进行较远距离探测的环绕器，降落到火星表面，原地进行探测和实验的着陆器，以及能在火星上运动的巡视器（火星车）。
“天问一号”着陆器及巡视器（图片来源：CNSA）
在“天问一号”中，我国计划在首次发射中一次性实现“绕”、“落”、“巡”三大任务，这在世界航天史上还没有过先例。即使我们有了一定的探月经验作为基础，但也面临着很大的挑战。
难度主要存在于在地火距离遥远以及对火星环境的不了解上。相比地月距离，地球与火星的距离非常遥远，最远时约为4亿千米，最近时也有约5600万千米。以我国这次将要发射的火星探测器为例，需要飞行200多天才能到达遥远的火星。这带来的首个挑战，就是在携带燃料有限的情况下，探测器如何能够飞越如此遥远的距离，这就需要研究者对探测器飞行轨道进行精密的设计。
根据计划，火星探测器会按照“霍曼转移轨道”飞行。在“天问一号”火星探测器发射升空后，会先在地球附近加速，进入霍曼转移轨道利用惯性保持飞行，惯性飞行过程中不需要消耗燃料。等到达火星轨道时，探测器会“刹车”降低速度，最终被火星捕获。这就是本次火星探测任务第一阶段的目标：环绕火星飞行。
若想成功进入霍曼转移轨道，对火箭的运载能力和入轨精度有很高的要求。月球探测器进入地月转移轨道所需的速度是10.9km/s，而火星探测器进入霍曼转移轨道的速度至少要达到第二宇宙速度（11.2km/s）。因此，这次发射任务使用了新一代运载火箭中推力最大的“胖五”——长征五号运载火箭。在成功进入太空后，整流罩中的火星探测器会与火箭“星箭分离”，独自飞向火星，这段旅程大概需要6~7个月。如果一切顺利，探测器预计于明年2月左右到达火星引力势场内，切入火星轨道，被火星捕获。这个捕获的阶段非常关键：在切入火星轨道时，如果切入点离火星太近，探测器可能会坠毁；如果太远，探测器可能无法被引力捕获而掠过火星。
7月17日，长征五号遥四运载火箭完成垂直转运至发射区，计划于7月下旬到8月上旬择机实施发射任务。（图片来源：国家航天局新闻宣传中心）
若能成功切入火星轨道，再经过多次调整，环绕器就可以进行环绕探测了。这时我们将迎来本次火星探测任务的第二个阶段，也是最大的难点——火星着陆。火星探测器需要将4.8km/s的超高速，减到火星着陆时的0，这个过程只有7分钟左右，也被称为“恐怖7分钟”。着陆器何时开始减速进入火星大气、进入的姿态、进入的角度都需要精准的控制，然而问题在于，我们对于火星上的环境，尤其是大气状况的了解非常有限。再加上地火距离遥远，从地球发送到火星的单程无线电信号，单程延时为20分钟左右，难以依靠地球指挥着陆。
“天问一号”任务计划采用的减速方式将分为四个阶段进行。第一个阶段是气动减速段，探测器会踩下“急刹车”，在大约290秒内将速度从4.8 km/s迅速降低到460 m/s。接下来探测器将打开降落伞，在大约90秒后，速度会降到约95 m/s。随后进入第三个阶段——动力减速段，探测器的反推发动机开始工作，在80秒内将速度降到3.6 m/s以下。当探测器距离火星表面约100 m高时，就进入了最后的着陆缓冲段，探测器准备开始悬停避障。此时探测器的速度已经很慢了，探测器会自主观察火星表面，快速计算出最佳着陆点。最终它将水平移动到该点上方，伸出“四条腿”，并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。
全新的发现
火星是太阳系中与地球环境最为相似的行星，了解火星对研究地球早期历史和生命起源有着重要价值，也对人类拓展生存空间具有重要意义。如果“天问一号”探测任务成功完成，将为我们提供关于火星的大量全新信息。
例如，为了绘制火星的地质结构图，环绕器和火星车都配备了探地雷达。环绕器上的雷达可以“看透”几千米深的地层，而火星车上的雷达虽然看不到这么深，但分辨率却能达到厘米级。这或许能帮助我们了解火星地表以下的水冰分布。
而“天问一号”另一项激动人心的任务，是探测火星的磁场。目前有理论认为，火星曾拥有和地球类似的磁场。然而随着火星内核中熔融的铁逐渐冷却，它的磁场也逐渐减弱甚至消失。失去了地磁场的火星被暴露于太阳风和辐射下，并导致其失去了地表水和大气。火星的磁场究竟发生过怎样的变化？“天问一号”环绕器与火星车将为我们提供更多的证据。
除此之外，环绕器和火星车还将搭载矿物光谱仪、高能粒子分析仪、激光击穿光谱仪等多种仪器。这些设备将帮助远在地球的科学家研究火星岩石、土壤和大气的成分，更好地了解火星环境。
“天问一号”火星车的设计寿命为90个火星日（一火星日约为24小时40分钟）。这将成为中国航天者向太空发问的第一步，也是中国航天走向深空的里程碑。
第一次挑战就上最高难度，为什么中国不能缺席火星竞赛
北京时间今日凌晨5时58分，阿联酋希望号火星探测器搭乘三菱重工H-IIA火箭从日本种子岛航天中心发射升空。
三菱随后表示，希望号已成功与火箭分离，正进入前往火星的转移轨道，预计2021年2月抵达火星。（详见报道《飞往火星的路上，我们又要被亚洲国家超车？》）
由于火星绕日公转周期（687天）与地球不同，地球和火星间距存在周期性变化，最远可达4亿公里，最近相隔5000万公里，而直线距离最短的机会每26个月出现一次，这就是火星探测窗口期。
希望号是今夏窗口期踏上征程的1号选手，中国天问一号火星探测器和美国毅力号火星探测器随后也将出发。
目前，天问一号已运抵海南文昌发射场，长征五号遥四运载火箭也于7月16日垂直转运至发射区，中国首次自主火星探测任务蓄势待发。
中国火星探测任务蓄势待发，巨大的整流罩内是中国首颗火星探测器“天问一号” 图片来源：国家航天局
不出意外，天问一号将于7月23日发射升空，旨在完成“绕、落、巡”三阶段探测任务。如果成功，中国将成为全球第一个首次探索火星就一举完成火星着陆的国家。
天问一号的三大任务五大目标
从地球到火星，是一段遥远而危险的旅途。
简单来说，八大行星绕太阳公转形成八大环形轨道，地球位于三环，火星位于四环。
可是哪怕在窗口期出发，火星探测器也没有能力跨越5000万公里，直接从三环切入四环，为了节省燃料，它必须沿着一条名为“霍曼转移轨道”的星际航路无动力飞行数月前往火星。
火星探测器通过“霍曼转移轨道”从地球抵达火星 图片来源：NASA
这段旅途，大约是5.93亿公里，比地球到月球的行程长1543倍。
如果说人类到月球就像开车去家附近100米左右的加油站，那么到火星就是去150公里开外的另一座城市。
包括燃料在内，天问一号探测器总重5吨，由轨道环绕器、着陆器、火星车组成，协力完成“绕、落、巡”三大任务。
天问一号探测器
首先，探测器与火箭分离，进入霍曼转移轨道，经过大约7个月飞行，通过地面控制变轨修正，在与火星轨道相切的位置点火减速，直到被火星引力捕获。探测器通过变轨调整到火星停泊轨道，开始绕火飞行；
这段绕火飞行将持续两个月左右，直到探测器摸清理想着陆位置后降轨，轨道环绕器与搭载火星车的着落器分离后，升轨进入火星中继通信轨道，环绕火星展开为期一个火星年（687个地球日）的科学观测，同时为火星车提供中继通信；
着陆器与轨道环绕器分离后，将运用降落伞和反推火箭等装置多级减速缓冲，最终软着陆在火星表面的乌托邦平原，释放出火星车，开始巡视和科学探测。
天问一号降落火星模拟动画
天问一号的火星车由太阳能驱动，240千克的重量大约是玉兔2号的两倍。按照计划，它将在火星上工作90个火星日。
如果一切顺利，天问一号预计2021年2月11日-24日进入火星轨道，4月23日在乌托邦平原着陆。
核心期刊《自然天文学》在7月13日披露了天问一号火星探测任务的五大核心科学目标：探查火星地貌和地质构造；分析火星土壤特征，寻找水冰分布；分析火星表面物质成分；调查火星大气与气候；探测火星电磁场、重力场等物理场。
火星软着陆为什么是鬼门关
在这段步步惊心的旅程中，最著名的一道鬼门关就是离轨着陆。
从进入火星大气层到成功着陆，大约只需要7分钟，可是人类现有44次火星探测任务中，只有9次安然度过“恐怖7分钟”，火星历来都是着陆器“坟场”。
在火星上着陆，需在7分钟内将速度从每小时2.1万公里降至零，火星大气密度只有地球的1%，非常不利于整个降速过程。
就算着陆器完美实施了气动减速、降落伞减速、反推火箭减速等多个减速动作，成功还是要靠火星老天爷赏脸——火星地表沙尘暴非常暴烈，一旦发生全球沙尘暴，破坏力是地球12级台风的6倍。
NASA洞察者号着陆火星动画模拟
地球火星之间距离遥远，通信延时最多可达23分钟，一旦遇到突发问题，只能靠机载计算机自行调整着陆器的降落姿态和调整时机，遗憾的是，计算机还远远不够聪明。
2016年，欧空局ExoMars火星探测任务的Schiaparelli着陆器，就在着陆时遭到狂风猛烈袭击，剧烈的钟摆运动让高度传感器突然指向地平线，机载计算机误以为着陆器已经降落，于是提前关闭了反推火箭——尽管降落伞已经展开，Schiaparelli着陆器还是以299公里的时速坠入冰冷的火星表面。
Schiaparelli着陆器在火星表面坠毁，右图为NASA火星轨道卫星拍摄到的实际画面，左为模拟图 图片来源：Space
1999年，美国火星极地登陆者号在火星南极着陆时，也是由于计算机程序错误，导致反推火箭在距地面40米处提前关闭，着陆器随之坠毁。
NASA寻找坠毁的火星极地登陆者号
第一个在火星实现软着陆的国家是苏联。
1971年12月2日，苏联火星3号着陆器在火星成功着陆，可是仅仅回传了不到20秒的信号就与地球失去了联系，事后分析显示，火星3号可能遭遇了全球性的火星沙尘暴，沙尘造成的静电电荷导致设备损坏。
失联的苏联火星3号模拟图
苏联接着又向火星发射了四次任务，从火星4号到火星7号，结果全军覆没，不是在环绕火星飞行时失联，就是在着陆火星时发现意外。至今，俄罗斯仍没有打破火星3号创造的纪录。
还有一些其他的意外情况。比如英国2003年发射的小猎犬2号火星探测器，进入火星大气层后就与地球失联，直至2015年，才被美国火星探测器证实已成功着陆火星，然而太阳能板故障导致其无法与地面建立通讯。
失踪12年小猎犬2号被找到
在这颗红色星球上，能让探测器安全着陆并长期工作的只有NASA，“好奇号”和“洞察号”火星车至今仍在忙碌工作。
目前，美国已有8次火星探测成功着陆火星，但成功也伴随着多次失败。
火星探测器着陆示意图 图片来源：NASA
中国为什么一上来就挑战极难
首次自主火星探测任务，中国就向现阶段最高难度的任务发起了冲击。
这种自信，部分来自探月工程奠定的基础。
短短几年间，嫦娥一号、嫦娥二号成功绕月飞行；嫦娥三号让中国成为全球第三个在月球实现软着陆的国家，而嫦娥四号成功在月背着陆，更是实现了人类登月史上零的突破。
嫦娥四号成功在月背着陆
中国探测火星的设想，早在2007年发射嫦娥一号时就曾提出。
2011年11月9日，俄罗斯的福布斯-土壤火星探测器搭载中国的第一颗火星探测器萤火一号，乘坐俄罗斯天顶-2SB运载火箭，于哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场发射升空。
遗憾的是，星箭刚刚分离就出现意外，福布斯-土壤探测器主发动机并未启动，导致两个探测器停留在近地轨道未实现变轨，中俄的火星探测器被困在206-340公里的太空中。
整个发射过程都由俄罗斯控制，萤火一号最终与火星失之交臂。
俄罗斯福布斯-土壤火星探测器
合作失败后，中国自主进行火星探测的声音占据主导。
2013年，专家组确定火星探测“两步走”方案，第一步在2020年发射窗口期实现“绕、落、巡”；第二步在2030年前实现火星取样返回。
随着嫦娥工程成功推进，随着探月“绕、落、回”发展战略逐步实现，中国深空测控系统不断成熟。中国已在全球多地建立了合作，为鹊桥中继星和嫦娥四号提供多频段通信支持。
本次火星探测任务，天问一号将使用新一代飞行控制软硬件系统，而且也已在火星重力模拟试验场成功完成了天问一号火星着陆悬停避障技术测试，确保此次任务拥有可靠的技术支撑。
在通往火星的道路上发现地球
中国和阿联酋都是飞往火星的新手，相比之下，美国此次火星探测任务非常大胆。
NASA将发射有史以来最强大的火星探测车毅力号，以寻找火星上可能存在的生命迹象。
NASA毅力号
按计划，毅力号将在火星上火山口提取并存储火星岩石样本，这些样本有望在2031年之前被新着陆探测器带回地球，这将是人类有史以来首次从火星取回岩石样本。
毅力号还将尝试从火星富含二氧化碳的大气中制氧，为人类未来登上火星探路，此外，毅力号还配备了可以收听火星声音的麦克风，还有一架非常酷炫的创造号火星无人机。
火星无人机
这架火星无人机，是第一次尝试在另一个星球上进行受控飞行的飞机，如果成功，它可以提供当前轨道飞行器、着陆器和火星车无法提供的独特视角，可以探测火星车难以抵达的地形。
如果深入了解下各国火星探测任务的详细内容，你就能明白为什么大国会纷纷加入火星竞赛。
比如火星无人机。
普通无人机无法在火星获得足够升力，比地球低99%的大气密度，零下90摄氏度的低温环境，要求创造号采用一些独创性方案：比如更大反而更轻的碳纤维转子叶片，转速更快的电动马达，低温极限更高的零件材料，创新的太阳能电池和其他组件等。
创新科技，帮助人类一步步走向太空深处，有的技术很快就会改变这个世界，还有更多的技术，谁也不知道会在未来的哪个节点突然改变这个世界。
比如计算机小型化，就和太空任务直接关联。1940年代的计算机重达30吨，在NASA的推动下，到1970年代减轻到了31公斤。
阿波罗登月计划用的计算机
而在阿波罗登月计划中，为了让载人航天设备尽可能减轻重量，NASA科学家又主导研发了更轻便的电子设备，用严苛的要求倒逼提升了芯片技术的发展和应用速度，又推动了更多便携电子设备的商用和发展，直到我们用上笔记本电脑和智能手机。
为了拍摄更清晰的天体照片，NASA曾斥巨资研究图像增强技术，这些数字影像增强技术又广泛应用在医学领域，比如我们熟知的CT、核磁共振成像技术。
类似的案例简直俯拾皆是，如冻干食品、灭菌净水系统、耳温测量计等等，都是太空探索带来的技术发明。
此外，太空中还隐藏着等待发掘的宝藏。
今年10月底，我国还将发射嫦娥五号探测器，通过铲取和钻取的方式，采集月球样品并带回地球。
为什么要去月球上“挖土”？其实美国人早就这么干了，从1969年到1972年，美国6次载人登月共带回约382公斤月球样品，获取了大量科学成果。
最重要成果之一，就是发现月球样品含有氦-3。
氦-3是公认的高效、清洁、安全的核聚变发电燃料。100吨氦-3所创造的能源，几乎就能满足全球一年所需。然而，地球已知且容易取用的氦-3只有半吨左右，而月球浅层的氦-3含量多达上百万吨，有望解决人类的能源之忧。
根据一些设想，未来人类甚至可以在月球建设核电站，将电能无线传输回地球。
充满无限的可能性，正是火星探索乃至太空探索的意义，正如《卫报》回顾登月任务时的评论：“在通往月球的路上，我们发现了地球。太空竞赛推动的技术进步，用出人意料的方式改变了人类历史进程。”
