7月23日12時41分，中國首次火星探測任務“天問一號”探測器搭乘著長征五號遙四運載火箭在海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空，經過半個多小時的飛行后，探測器成功進入預定軌道，開啟了漫長的火星之旅?！疤靻栆惶枴钡某晒Πl(fā)射，拉開了中國航天事業(yè)的新篇章。事實上，“天問一號”并不是中國第一顆火星探測器，早在2011年11月9日，中國研制的“螢火一號”火星探測器曾搭載俄羅斯的火箭飛往火星，但遺憾的是，該發(fā)射任務以失敗告終。
隨后，中國的火星探測沉寂多年，直至2016年1月，中國首次火星探測任務得到國家批準立項，今年4月，國家航天局宣布將我國火星探測任務命名為“天問”，這才有了今天的“天問一號”飛天。而與“螢火一號”相比，“天問一號”的意義將更加重大，因為它是中國自主發(fā)射的首顆火星探測器。
按照規(guī)劃，”天問一號“將通過一次發(fā)射任務便實現火星的環(huán)繞、著陸和巡視。如果成功，中國也將成為繼美國之后，第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家。
人類對火星的探測起步于20世紀60年代，截至目前共實施了44次活動(2020年7月20日發(fā)射的阿聯酋希望號火星探測器正在飛行途中)，其中，美國21次，蘇聯/俄羅斯19次，日本1次，歐洲空間局2次，印度1次。在所有的任務當中，完全成功或部分成功的只有23次，成功率剛剛過半，因此，火星也被稱作是“探測器墳場”。
可即便如此，人類對火星探索的腳步卻從未停止。這是因為在太陽系中，火星是距離地球較近且自然環(huán)境與地球最為類似的行星，所以它也成為人類走出地月系統開展深空探測的首選目標。
不僅如此，近年來在火星上取得的一系列重大發(fā)現，也更加堅定了人類前往火星的信念。比如人類發(fā)現了火星表面存在液態(tài)水、遠古湖泊以及極光現象等。2018年，歐洲空間局的“火星快車(Mars Express)”更是在火星上發(fā)現了疑似地下水湖，這大大增加了火星存在更多水乃至生命的可能性。
面對如此精彩的火星，中國航天自然也不會缺席?！疤靻枴钡拿衷从谇L詩《天問》，這首詩表達了屈原追求真理的探索精神，而這，也與中國深空探測系列任務的精神不謀而合。
但是，火星探測之路任重道遠，眼下的成功發(fā)射，只能代表“天問一號”的火星之旅順利開啟，接下來，“天問一號”在成功著陸火星之前，還有更多高風險的任務需要完成。
火星的誘惑
與月球相比，火星距離地球過于遙遠。月球與地球的距離約在36至40萬公里之間，而火星距離地球約在5600萬至4億公里之間，地火最遠距離約為地月距離的1000倍。
一位航天領域專家告訴21世紀經濟報道記者，遙遠的距離，給火星探測帶來了諸多全新的挑戰(zhàn)，首先是在發(fā)射窗口方面，理論上月球探測每個月都有發(fā)射機會，而火星探測每26個月才出現一次發(fā)射機會。
其次，是地球與火星之間的無線電信號傳輸時延最長可達23分鐘，而地球和月球之間的時延僅有數秒，這種差異對天地測控通信能力和探測器自主運行能力都提出了更高的要求。此外，因為火星距離太陽比地球和月球都更遠，這使得火星探測器還要考慮能源獲取及熱控方面的問題。
顯然，與月球探測相比，火星探測的難度要提升好幾個量級。而對中國來說，“天問一號”還要一步實現“繞、落、巡”三大任務，在此之前，還沒有國家實現過這一壯舉，所以，“天問一號”的任務難度是難上加難。
火星探測任務可分為發(fā)射、巡航、進入下降和著陸、表面操作四個階段。其中，進入下降和著陸階段是風險最大的環(huán)節(jié)。
航天專家龐之浩曾向21世紀經濟報道記者表示，探測器進入火星軌道的難度好比從巴黎打一個高爾夫球，要正好落到東京的某個球洞里。
尤其是在執(zhí)行近火捕獲、兩器分離等軌道控制時，這些操作將決定任務成敗且只有一次機會，但此時探測器距離地球約3億公里，信號時延在15分鐘以上，依靠地面進行控制已不現實，所以必須把所有數據都提前注入，讓探測器自主完成。
“這對探測器的自主管理和控制能力都是極大的考驗?！庇惺煜ず教祛I域的人士告訴記者，這時候不能出現一絲偏差，在探測器切入火星軌道過程中，如果切入點離火星過遠，則不能被火星的引力捕獲而掠過火星，如果切入點離火星太近，則可能墜毀于火星大氣層。
而進入火星軌道后，下降和著陸階段的難度將更大。正常情況下，探測器從進入火星大氣層到最終著陸，只需要7分鐘左右時間，這也被稱作是“恐怖7分鐘”。
之所以恐怖，是因為這個過程中涉及到上千個復雜操作，而且和近火捕獲一樣，這些操作都只能通過預先設置，然后靠著陸器自主完成。而且與月球表面幾乎為真空不同，火星表面擁有大氣層，密度約為地球的1%，同時，火星上還存在強風和沙塵天氣，這些都使得火星著陸更為困難，需要增加氣動減速和傘系減速等環(huán)節(jié)。
為了克服這些挑戰(zhàn)，中國航天在過去幾年作了無數的努力。其中，像成功完成的“鵲橋號+嫦娥四號+玉兔二號”的探月組合，也為火星探測打下了堅實的技術基礎。
2019年11月14日，中國首次火星探測任務著陸器懸停避障試驗在河北懷來地外天體著陸綜合試驗場完成，該試驗成功模擬了著陸器在火星環(huán)境下懸停、避障、緩速下降過程;今年3月，火星探測任務的無線聯試也圓滿完成。至此，“天問一號”整裝待發(fā)。
“天問”之旅
據悉，“天問一號”任務主要由探測器、運載火箭、發(fā)射場、測控、地面應用五大系統組成。其中。探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，總質量約5噸。
在環(huán)繞器中，配置了7臺科學載荷，具體包括中分辨率相機、高分辨率相機、次表層探測雷達、火星礦物光譜探測儀、火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀，
而著陸巡視器則是由進入艙和火星車組成。按照計劃，進入艙將完成火星進入、下降、著陸任務，火星車則會在著陸區(qū)開展巡視探測。在火星車上，將配置多光譜相機、次表層探測雷達、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀、地形相機共6臺科學載荷。
按照計劃，長征五號運載火箭將帶著“天問一號”飛行約7個月后抵達地火轉移軌道，2021年2月中下旬，探測器與運載火箭進行分離，然后經過中途修正，在近火點附近實施制動，實現火星捕獲。
緊接著，“天問一號”會進入周期約10個火星日的環(huán)火橢圓軌道，再擇機實施軌道機動，然后進入周期約2個火星日的橢圓停泊軌道，這個過程需要約2個月。
接下來，預計在2021年4月23日，“天問一號”會在完成著陸區(qū)預先探測和著陸點調整后，擇機釋放著陸巡視器，而環(huán)繞器會隨即進行軌道調整，進入中繼通信軌道，為火星車提供中繼通信鏈路，兼顧開展科學探測。
著陸巡視器與環(huán)繞器分離后，進入火星大氣，通過氣動外形、降落傘、反推發(fā)動機等多級減速和著陸腿緩沖，實現軟著陸。然后火星車會與承載平臺分離，在火星表面開展巡視科學探測。
過去，成功著陸的探測器都在火星獲得了回報，比如“水手9號”發(fā)現了太陽系最高的奧林帕斯山和最長的水手峽谷;“全球勘探者號”發(fā)現了冰川、湖泊和水溝存在的痕跡;“奧德賽號”發(fā)現了廣泛存在的地下水分;“火星快車號”發(fā)現了巨大的地底湖泊;“好奇號”發(fā)現了甲烷類有機物存在的直接證據。
這次“天問一號”前往火星，也帶著五項科學目標：一是研究火星形貌與地質構造特征。探測火星全球地形地貌特征，獲取典型地區(qū)高精度形貌數據，開展火星地質構造成因和演化研究。
二是研究火星表面土壤特征與水冰分布。探測火星土壤種類、風化沉積特征和全球分布，搜尋水冰信息，開展火星土壤剖面分層結構研究。
三是研究火星表面物質組成。識別火星表面巖石類型，探查火星表面次生礦物，開展表面礦物組成分析。
四是研究火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征。探測火星空間環(huán)境及火星表面氣溫、氣壓、風場，開展火星電離層結構和表面天氣季節(jié)性變化規(guī)律研究。
五是研究火星物理場與內部結構，探測火星磁場特性。開展火星早期地質演化歷史及火星內部質量分布和重力場研究。
有航天從業(yè)者告訴記者，中國首次火星探測任務如果圓滿完成，無疑是中國航天的一個里程碑時刻，但也不宜過度夸大，因為它不能代表中國航天技術已經實現彎道超車，這實際上是將中國過去數十年的差距補了上來。
但“天問一號”的成功，將代表中國具備了進一步開展深空探測的基礎能力，站在火星的肩膀，中國也可以開始規(guī)劃更遠的太空旅程。而針對火星，下一目標便是在2030年之前突破難度更大的采樣返回。
現在，我們需要給“天問一號”一些時間，等待它明年傳來捷報。
畫外音
盛夏的海南，熱浪襲人，但在距離文昌火箭發(fā)射場不遠的淇水灣海灘上，仍有不少觀眾頂著烈日等待觀看“天問一號”發(fā)射。
因為不熟悉現場情況，雖然火箭預計12點多發(fā)射，但該游客在早上9點多就來到了現場。他向記者表示，海灘上有很多人比他來得還要早。
人大附中三亞分校的一位老師帶著幾十位學生前來觀看。他告訴記者，對于這種航天發(fā)射，只要允許觀眾觀看，他們學校都會組織學生過來。去年，他就曾帶過另外一個學生團隊來過這里。
這位老師表示，帶學生現場看火箭發(fā)射，對學生的好奇心和興趣培養(yǎng)都有很大的作用，因為現場的感受肯定比在書本上或者電視機前更深刻。
而一位曾多次前來觀看發(fā)射的天文愛好者告訴記者，每次觀看火箭發(fā)射都十分激動，尤其是點火發(fā)射的那一剎那，總會有熱淚盈眶的沖動。
這位天文愛好者還表示，受疫情的影響，今天的現場人數明顯比去年“胖5”復飛時少了一些，“當時沙灘上還有自發(fā)組織前來的樂團演奏，場面十分熱鬧”。
另外，21世紀經濟報道記者在淇水灣沙灘還注意到，“天問一號”的發(fā)射也帶動了不少商業(yè)活動，比如現場，就有手表、汽車、地產、游戲等行業(yè)的品牌商搭建了活動展臺。
而為了增加公眾對航天事業(yè)的參與感，很多航天項目都會進行征名活動，比如中國火星探測任務的名字“天問”，就是從全球征集而來。據記者了解，接下來，國家航天局探月與航天工程中心還將聯合百度App啟動對中國第一輛火星車的全球征名活動。
實際上，航天事業(yè)作為國家項目，與普通群眾相關的內容十分有限，但是，就像比賽場上需要觀眾一樣，人們對航天事業(yè)的關注與熱情也能夠鼓舞航天人。中國首次火星探測任務如果圓滿完成，無疑是中國航天的一個里程碑時刻，代表中國航天技術將過去數十年的差距補了上來。
下載文檔
