“GO TO MARS TOGTHER！”剛剛，中國火星探測任務(wù) “天問一號”成功發(fā)射，開啟了我國對火星的首次探測之旅，中國的深空探索又向前邁進了一步。
北京時間 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(wù) “天問一號”探測器，在中國文昌航天發(fā)射場點火升空。
火箭飛行約 2167 秒后，成功將探測器送入預(yù)定軌道，開啟了火星探測之旅。
“天問一號”是我國首次自主火星探測任務(wù)，是中國航天走向深空的里程碑工程。與其他任何國家首次火星探測任務(wù)不同，“天問一號”要實現(xiàn) “繞”“落”“巡”的三連任務(wù)，當(dāng)屬全球首次。
火星探測器在升空后，根據(jù)測算，最優(yōu)轉(zhuǎn)移軌道需要 203 天，也就是 6 個月零 19 天，即在 2021 年 2 月 11 日被火星引力捕獲。
按照探測器速度，取最優(yōu)減速軌道以及繞火星探測事件，預(yù)計在 2021 年 4 月 23 日開始實施火星著陸。
在到達火星之后，火星車的設(shè)計壽命是 90 個火星日，火星的一天比地球的一天略長一點，大概是 24 小時 37 分鐘，90 個火星日也就是地球上三個多月的時間。
如果 “天問一號”能夠成功登陸火星，這將使得中國躋身太空精英強國之列，成為太空探索的引領(lǐng)者。
然而，路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。
火星，這顆孤獨的星球，等著我們的擁抱。
成敗關(guān)鍵：“恐怖 7 分鐘”
縱觀人類的航天史，人們似乎一直對火星、月球 “情有獨鐘”。全球已經(jīng)有了 40 多次火星探測活動，但成功和部分成功的任務(wù)僅有 22 次，成功率大約 40%。因此，火星有著 “航天器墳場”之說。
但是火星對人類的誘惑太大了。
▲圖片來自網(wǎng)絡(luò)
2010 年 8 月，8 位院士聯(lián)名向國家建議，開展月球以遠深空探測的綜合論證。為此，國家國防科技工業(yè)局立即組織專家開展了發(fā)展規(guī)劃和實施方案論證。
中國國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言曾撰文寫道，首次自主火星探測是深空探測的起點和重點，實施方案經(jīng)過三輪迭代和深化，在 2016 年 1 月正式立項實施。
2016 年 8 月，火星探測任務(wù)名稱和圖形標(biāo)識全球征集活動啟動，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)投票，“天問”排名第一，得票 31.7 萬余張。
2020 年 “中國航天日”啟動儀式上，備受關(guān)注的中國首次自主火星探測任命被正式宣布命名為 “天問一號”。
▲圖片來自網(wǎng)絡(luò)
根據(jù)計劃，我國首次自主的火星探測任務(wù)非常重，任務(wù)由軌道器、著陸器、巡視器三個部分組成，目標(biāo)是通過一次發(fā)射任務(wù)，完成繞、落、巡這前三個步驟。
“這將是世界上首次自主探索火星即完成軟著陸的任務(wù)?！敝袊茖W(xué)院紫金山天文臺研究員季江徽曾接受《科技周刊》采訪時表示。
中國航天科技集團五院深空探測和空間科學(xué)首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士葉培建曾向媒體表示，中國如果想要實現(xiàn)超越，需要利用現(xiàn)有的技術(shù)實現(xiàn) “兩步并成一步走”。
但是，“一石二鳥”背后是更高的挑戰(zhàn)和更大的風(fēng)險，國際鮮有先例。
首先，是將火星探測器送上太空的火箭。
這次 “天問一號”搭載的是長征五號火箭，是我國最大運力的運載火箭，廣大網(wǎng)友愛稱其為大火箭 “胖五”。2016 年長征五號運載火箭首飛成功，截止目前，總共發(fā)射了三次，失敗一次。
▲圖片來自網(wǎng)絡(luò)
相比于月球，火星距離地球更加遙遠，而且火星和地球兩者的距離會不斷的變化：地球和火星位于太陽兩側(cè)時最遠距離大約 4 億公里，而位于太陽同側(cè)最近時有 5460 萬公里遠（是月球的 150 倍遠）。
“天問一號”探測器奔赴火星，并不是走直線，而是通過火箭的運力將探測器送入橢圓形軌道，在這個過程中將一直處于高速飛行狀態(tài)，需要 “長途奔襲”10 個月，2021 年才能到達火星。
其次，到達火星之后，探測器將迎來決定成敗的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
“火星探測最大的難點在于’恐怖 7 分鐘’，在進入、下降與著陸過程中，要在 7 分鐘內(nèi)將探測器的時速從 2 萬千米降低到零。這需要融合多種減速手段才能實現(xiàn)，包括氣動外形、降落傘和反推等，也需要自主導(dǎo)航控制技術(shù)來保證?！敝袊茖W(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張偉曾對《科技日報》表示。
據(jù)了解，在著陸前，探測器需要先將速度降下來，從 4.8 公里 / 秒減速到 460 米 / 秒，相當(dāng)于先來一個急剎車。
▲來自網(wǎng)易科技
接著，探測器打開降落傘，用 90 秒的時間將速度再降到 95 米 / 秒。
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最后，進入 “著陸緩沖段”，這會兒探測器需要懸停避障，對火星表面進行觀察，看一下地面有沒有坑、大的石頭，保證落地安全性。
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“目前國際上主要有兩種減速方式。我國根據(jù)探月工程中的技術(shù)經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，將通過 4 個階段逐步減速，最終使探測器平穩(wěn)到達火星表面?！敝袊茖W(xué)院院士、航天科技集團科技委主任包為民曾向媒體透露，第一階段為氣動減速，第二階段開降落傘，第三階段動力減速開反推，第四階段懸停避障；著陸器在火星表面軟著陸成功后將釋放火星車。
登陸火星是最具挑戰(zhàn)之一，由于火星擁有大氣層，要防止著陸器在下降過程中變得過熱；而且僅憑落傘無法使著陸器減速，還需要減速火箭。在此前 18 次火星著陸任務(wù)中，僅有 10 次取得了成功。
在成功著陸之后，探測車將進行 “拍照留念”、探測物質(zhì)和元素、探測環(huán)境和偵測火星淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及探測火星氣象等。
▲來自網(wǎng)易科技
▲火星探測器在火星表面示意圖（來自《科學(xué)》雜志報道）
火星車上，豎立在前端的桅桿頂端的方形設(shè)備就像機器人的腦袋，上面有實時探測的全景相機，可以幫助火星車避開障礙。另外，火星車上還有 4 個大的太陽能電池板，以及探測雷達、磁場探測儀和氣象測量儀，可以對火星進行全方位的探測車。
依照計劃，火星探測器壽命只有短短 90 個火星日，火星日比地球一天略長，為 24 小時 40 分鐘，也就是三個月的時間。
至此，“天問一號”火星探測器即可完成其使命。
人類 “第二家園”
正如上文所說，登陸火星是如此艱難，但依然未能阻止人類探索的腳步。為何？
作為太陽系的行星之一，火星與地球在環(huán)境等方面的相似性，使得人們對火星探索一直抱有濃厚興趣。
專家表示，火星不僅有大氣，也有適宜的溫度，和地球也有著相似的自轉(zhuǎn)周期。研究火星可以給人類帶來很多啟示，極具價值的基礎(chǔ)研究。
國外媒體曾經(jīng)發(fā)表文章稱，科學(xué)家在火星南極冰蓋下發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水存在的證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)更是激起了人們對火星的探索熱情。
“火星是太陽系內(nèi)與地球特點最為接近的行星，是人類未來移民的首選地?！睆垈ソ邮苊襟w采訪時表示。
這意味著，火星將是人類的 “第二家園”?？茖W(xué)家甚至都已經(jīng)提出了火星改造方案。
此次，除了中國的 “天問一號”探測器之外，美國的 “毅力號”火星車和阿聯(lián)酋的 “希望”號火星探測器，也定在了 7 月份發(fā)射，而原定于今年探測火星的歐洲與俄羅斯合作已宣布推遲到 2022 年。
為何各國都選擇了此時發(fā)射？
▲來自網(wǎng)易科技
據(jù)了解，每隔兩年，全球都會迎來一次火星探測高潮，原因在于地球與火星位置的關(guān)系，每 26 個月火星會有一次距離地球最近的機會，距離只有 5500 萬公里，這也是發(fā)射火星探測器的最佳時間窗口。
此時實施火星探測，探測器飛行的路線最短，最省燃料。如果錯過此次發(fā)射，就要再等 26 個月，下次發(fā)射窗口要等到 2022 年 9 月。
移民火星還要多久？
既然火星是人類孜孜不倦追求的 “第二家園”，何時人類才能夠移民火星呢？
商業(yè)火箭公司 SpaceX 的創(chuàng)始人馬斯克曾經(jīng)提出個火星移民計劃：希望在火星建立社區(qū)，他還喊出如果把一個人的移居成本控制在 20 萬美元左右，預(yù)計地球上最少會有 2 萬人愿意移民外星球。
▲圖片來自網(wǎng)絡(luò)
“北斗女神”徐穎在做客網(wǎng)易科技攜手吉利 ICON 汽車打造的《開杠吧》節(jié)目時曾表示，火星是我們的鄰居，火星也是我們離太空最近的一個夢想。但是，如果人類真的想移民到火星上來生活的話，還有很多事情要做。比如解決物理層的問題，解決火星環(huán)境問題，包括火星大氣問題。
“其實已經(jīng)有科學(xué)家提出了火星移民的整體改造方案。大概多少年可以對火星改造完畢，移民火星，我覺得這個單位要用千年為單位計量?！毙旆f認為。
雨果獎獲得者、科幻作家郝景芳也在《開杠吧》節(jié)目中表示，在可以預(yù)見的未來，人類即使移民火星，也一定是在封閉環(huán)境下有限資源條件下的生存。
這就意味著火星生活不可能是非常自由的，一定是將所有人束縛在一個有限的空間里。這樣才能保證可呼吸和空氣，可分配的食物，能源和最高效的物資調(diào)配方式。
▲圖片來自網(wǎng)絡(luò) 火星生活想象圖
“所以，這樣營造出來的生存空間和社會，和我們地球上極大豐富的世界資源非常不一樣，也會非常經(jīng)濟有效的方式去運行，火星上的社會幾乎肯定是科學(xué)家工程師和高級知識分子創(chuàng)造出來的社會，也一定是一個非常信息化的社會?！焙戮胺颊J為。
如果有生之年，可以移民火星，你的選擇會是什么？
參考
科技日報《天問一號：在探火路上來一次 “后發(fā)先至”》
新華報業(yè)網(wǎng)《首次火星探測任務(wù)將進行 “天問一號”，一次實現(xiàn) “繞落巡”》
科技日報《成功率不到一半 為什么人類在如履薄冰中 “探索火”》
中國青年報《“天問一號”將向火星進發(fā) 中國行星探測為何首探火星》
果殼《為了去火星，你知道天問一號有多努力嗎？》
央視新聞客戶端《中國首輛火星車來了》
中國航天科技集團公眾號
網(wǎng)易科技《逆向思維》第十期
小火箭公號《人類探索火星發(fā)射時機與抵達時刻計算圖表》
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