首次火星探測對中國航天意味著什么？
2020-07-24 09:28:54
來源：新華網-思客
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2020年7月23日12時41分，長征五號遙四運載火箭托舉著我國首次火星探測任務“天問一號”探測器，在中國文昌航天發射場點火升空。
▲“天問一號”發射升空 來源：@新華視點
2020年是中國火星探測元年。
萬眾期待下，天問一號順利升空，將為中國打開火星之門，使我們真正進入深空、走近火星。
登陸火星有多難？各國又為何“扎堆”去火星？大家口中所說的“恐怖7分鐘”又是怎么回事呢？思客將為你一一解惑。
登陸火星有多難？
火星，古往今來自帶一抹神秘色彩。早從60年前開始，人類就開啟了對這顆赤色星球的探索。
然而，幾十年間，探測的成功率卻不足一半。
▲這張自然色照片反映了火星的真實顏色。
有數據顯示，自上世紀60年代以來，人類的火星探測活動達40多次，成功率卻不到50%，其余的項目都出現探測器撞毀、失靈或失蹤等情況。
為此，在業界火星甚至被稱為“探測器墳場”，其探測難度可想而知。
火星探測為何如此之難？
地火兩星相隔甚遠是一大原因。
我們常說火星是地球的鄰居，但它卻實在算不上“近鄰”。據測算，地火之間最遠距離約4億公里，最近距離也有約5500萬公里，是地月距離的150倍。
從這個角度來說，月球與地球的距離幾乎”近在咫尺”。
▲最近時火星和地球的距離相比于地月距離的比例。來源：果殼
因此火星探測器在抵達目的地之前，往往需要飛行很長的距離，時間長達7-8個月。
在這個長途旅行中，對探測器的發射、軌道、控制、通信、電源、入軌、著陸等技術都有很高要求。
所以，“探火”可比”探月”要難多了。
為何夏季“扎堆”去火星？
眾所周知，火星、地球都繞太陽公轉，但兩者速度不同、軌道也不同。
因此只有每隔約26個月，才能等到地火直線距離最近的時候，此時兩行星距離約為5500萬公里。
而在這一時刻前后，從地球發射火星探測器，能讓人類“探火”之旅的“趕路”時間更短、所攜燃料更少、成本也更加低廉。
▲地球（內）、火星（外）公轉及距離關系示意圖。來源：科技日報
簡單來說，此時是“抄近路”去火星的最佳機會，航天工程上所說的發射“窗口期”也由此而來。
今夏的7至8月，全球就迎來了發射火星探測器的這一“高光時刻”。有能力進行火星探測的國家，當然都不愿錯過這個“窗口期”。
因此，也就不難理解為何會出現多個國家“扎堆”去火星的狀況。畢竟如果錯過這次窗口期，下一次的好時機可就要等到2022年了。
“三套餐”組合是什么？
不同于之前與俄羅斯合作最后遺憾失敗的“螢火一號”，此次天問一號是我國自主發射的第一顆火星探測器。
為了一步到位，“少花錢，多辦事”。我國首次火星探測計劃通過一次發射，完成“繞、落、巡”三大探測任務，這是世界航天史上從未有過的。據了解，美國海盜1號、海盜2號火星探測器也僅僅是通過一次發射實現了環繞、著陸兩種探測目標。
為此，天問一號集成了一個“三套餐”組合。包括火星軌道環繞器、著陸器、巡視器（火星車），將分別實現“火星環繞”、“火星表面降落”、“巡視探測”三項探測任務。
這也是天問一號明顯不同于另外兩個火星探測器的地方。據悉，美國將發射的“毅力號”是由著陸器和巡視器兩部分構成，而此前阿聯酋升空的“希望號”則只有環繞探測器。
天問一號除了完成這三大探測任務之外，還設定了5大科學目標，包括空間環境、形貌特征、表層結構等研究。
落地7分鐘有多“恐怖”？
整個火星探測任務中，最難的是便是著陸這一關。由于地火距離遙遠，因此火星探測器需要完全自主導航控制完成著陸之旅。
著陸器在“奔火”的途中一直處于高速飛行狀態，因此在再入、下降與著陸過程種，要在7分鐘內將探測器的時速從2萬千米降低到零。
正是這個過程，被稱之為“恐怖7分鐘”。這一階段，探測器的防熱措施是否可靠，降落傘、氣囊和緩沖火箭等能否按程序工作都至關重要。
▲火星探測器著陸動畫示意。來源：央視新聞
而由于著陸過程時間太短，遠不夠完成一次地火通訊。這就意味著全程超過1000個動作的降落過程必須依靠火星探測器自主完成，對軟件和硬件的要求極高。
▲我國首輛火星車亮相！來源：央視新聞
然而，茫茫深空中，失之毫厘，謬以千里。
歷史上許多探測器都在這“恐怖7分鐘”里功虧一簣。例如2016年10月20日，歐洲“火星生物學-2016”中的“夏帕雷利”，因為1秒的計算失誤導致降落傘與防熱罩提前分離，最終硬著陸而撞毀。
因此雖然著陸器降落時間短暫，但它的成功與否，卻直接決定著整個火星任務的成敗。
我們為什么一定要去火星？
月球之后，人類選擇下一個目標往往是火星，原因在于它的自然環境與地球最為相似。
因此火星被視作除地球外有可能孕育生命的星球之一，也被認為是未來人類最有可能移居的行星，這些都吸引著多個國家去探索這顆神秘星球。
▲火星表面示意圖。來源：科技日報。
從20世紀60年代起，人類就開始不斷地向火星發射探測器，然而成功著陸火星的國家只有美國。
火星探測作為航天強國的重要標志之一，在這一深空探測的科學浪潮中，又豈能少了中國的身影？
如果說此前探測月球只是“熱身運動”，是為探測火星作準備，那么經過多年來的打基礎、練技術，目前的中國已具備開展自主火星探測的能力。
天問一號，成功升空，僅僅是邁向深空的第一步。數月后，如果我國天問一號的任務圓滿成功，那么我國將成世界上第二個登陸火星的國家，也代表著我國深空探測技術水平站到了世界前列。
回首50載，中國航天，逐月追星，步履從未停歇。
人類航天的未來，必將是宇宙的星辰大海。
火星，我們來了！
參考資料：
1.《“天問一號”就位！目標：火星！》，中國經濟網，2020年7月17日
2.《近期“扎堆”火星探測為哪般？》，中國新聞社，2020年7月19日
3.《一次性實現“繞落巡”三步走！中國首次火星探測為啥這么牛？》，科技日報，2020年4月24日
4.《為了去火星，你知道天問一號有多努力嗎？》，果殼，2020年5月6日
5.《“天問一號”發射在即，我們為什么要去火星？》，中國科普網，2020年7月18日
來源：新華網思客
策劃：劉娟
監制：李曉云
作者：郭建偉 舒克凡
校對：祁麗君
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