天问一号|刚刚，“天问一号”发射成功，中国首次火星探测任务启航
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就在刚刚 ， 中国首次自主火星探测任务正式启航 。
在椰林深处的海南文昌航天发射场 ， 火星探测器「天问一号」在中国最强火箭长征五号遥四 1000 多吨的推力下 ， 以十几分钟翻越 220 多座珠穆朗姆峰的速度 ， 冲破大气层 ， 奔向距离地球超过 6000 万公里的红色星球 。
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在不久前 ， 我们见证了 SpaceX 首次载人航天任务 。 其实 2020 年也是中国航天史实现一座座里程碑的一年 。
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搭载新一代载人飞船的长征五号 B 火箭首飞成功 ， 为之后宇航员常驻的天宫空间站和载人登月打下基础 。
而「天问一号」的发射 ， 则开启了我国星际探索的新征程 。
关于「天问一号」 ， 你需要知道的 7 个冷知识
何为「天问」
其实早在 4 年前 ， 国家航天局就宣布重启火星探测计划 ， 并在 2020 年自主发射首颗火星探测器 。
不过直到今年 4 月 24 日 ， 国家航天局宣布 ， 中国行星探测任务被命名为「天问」系列 ， 火星探测任务才拥有了自己的名字——「天问一号」 ， 未来我们还将看到前往土星、木星等行星的「天问 n 号」 。
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值得一提的是 ， 4 月 24 日正是我国首颗人造卫星「东方红一号」发射 50 周年的日子 ， 选在这一天公布「天问系列」颇有传承的意味 。
「天问」这个名字则来自古代著名诗人屈原的长诗《天问》 ， 在 2000 多年前屈原就对天地分离、日月星辰发出了一系列天问 。
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▲ 图片来自：微博@more_space
今天 ， 中国航天人正在用「天问系列」来深入苍穹 ， 来解答屈原「九天之际 ， 安放安属？」的天问 。
中国星际探测任务的标识也有着独特寓意 ， 这个 logo 由多个字母「C」组成 ， 有着中国行星探测（China）、国际合作精神（Cooperation）、深空探测进入太空的能力（C3）等含义 。
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我们现在看到火星探测任务名称和任务标识 ， 其实都是面向全球征集的 。 共收到了 35912 个投稿中 ， 最终在 327 多万人参与的网络投票中诞生 。
面向大众征集命名这也是 NASA 一贯的做法 ， 比如著名的火星车「勇气号」和「机遇号」的名称 ， 就是通过小学生征文比赛诞生的 。
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▲ 勇气号.
这种方式的重要意义在于 ， 可以在征集过程中向公众科普航天知识 ， 让普罗大众也能参与到专业度极高的航天任务中 。
错过这次发射窗口 ， 要再等 26 个月
这个 7 月 ， 发射火星探测器的国家不止中国 ， 上周阿联酋首颗火星探测器「希望」号已经升空 ， 再过几天美国的「毅力号」 和「机智号」也将踏上火星之旅 。
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之所以各国都挤在这段时间奔向火星 ， 因为现在正值火星探测的发射窗口 ， 如果错过 ， 下一次就等到到 26 个月之后了 。
这和地球与火星的公转周期有关 ， 因为两颗星球的公转速度不同 ， 相对距离在不断变化 ， 最近时有 5500 万公里 ， 最远时超过 4 亿公里 。 每隔约 780 天太阳、地球和火星才会处在一条直线上 ， 这时地球距离火星距离最近 ， 也就是所谓「火星大冲」 。
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不过 ， 探测器并不是在「火星大冲」时发射的 。 而现在的探测器也不可能从两点之间的最短直线飞往火星 ， 而是要通过一个叫做「霍曼转移轨道」(Hohmann transfer orbit)的椭圆飞行轨道抵达 。
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「霍曼转移轨道」是目前探测火星最节省燃料 ， 也是最高效的一条飞行路径 ， 这一路线同样需要太阳、地球和火星处于相对合适的位置 ， 但并不是在连成一线时 ， 周期同样是 26 个月左右 。
按照这个飞行轨迹 ， 今年发射火星探测器的需要飞行 7 个月左右才能抵达火星 。 根据航天领域专家邢强博士计算 ， 天问一号将于 2021 年 2 月 11 日 ， 也就是大年三十当天被火星引力俘获 ， 并在明年 4 月 23 日开始着陆火星 。
中国最强火箭「胖五」
人类所有的太空探索 ， 如果离开运输火箭都是罔水行舟 。 可以这样说 ， 运输火箭的能力基本和一个国家航天实力划等号 。
而在过去的火星探索中 ， 各国基本都用了上了自家最强的火箭 ， 比如美国的「宇宙神 5 号」火箭和俄罗斯的「质子-K 」火箭 。
中国也不例外 ， 这次搭载「天问一号」上天的 ， 就被称为「胖五」的长征五号遥感四火箭 。
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▲ 图片来自：新华社
之所以叫「胖五」 ， 因为这是中国直径最大的一支火箭 ， 直径芯级达到 5 米 ， 此外还要捆绑 4 枚 3.35 米助推器 ， 是个体重 869 吨的「大胖子」 。
正是因为太胖了 ， 「胖五」不能再向过去的火箭一样通过铁路运输 ， 因为这已经超过铁路桥洞的直径 ， 只能改由两艘运输船从海路抵达发射场 。
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「胖五」提升的不只是尺寸 ，8 台液氧煤油发动机和 4 台氢氧发动机 ， 赋予了它国产火箭最猛的动力 ， 起飞时的推力可以达到 1000 多吨 。
此外液氧和液氢两种推进剂分别要零储存在零下 183 ℃ 和零下 253 ℃条件下储存 ， 这枚火箭又被称为「冰箭」 。
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▲ YF-100K 发动机.
这样的动力和体积给了「胖五」我国史上最强运载能力 ， 它在近地轨道运载能力为 25 吨 ， 直接在现役国产火箭基础上提升了 2.5 倍以上 。
虽然这比不上现役最强运输火箭重型猎鹰火箭 ， 但已经迈入了国际一线行列 。 目前美俄的主力火箭 ， 运输能力也主要集中在 20-30 吨级别 。
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▲重型猎鹰火箭.
要实现这么多「之最」 ， 「胖五」的设计也异常复杂 。 全箭共使用了十几万个零部件 ， 采用了自主研发的 247 项核心关键技术 ， 设计量和制造量是过去长征火箭的 3.5 倍以上 。
「胖五」的出世并不顺利 ， 在 2017 年长征五号遥二火箭发射失败后 ， 中国航天人经历了两年多至暗时刻 ， 直到去年 12 月才让长征五号遥三火箭成功将实践二十号卫星送入预定轨道 。
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▲长征五号遥三运载火箭发射. 图片来自：新华社
「胖五」对于在中国航天的意义不仅在这次火星探测任务 ， 之后的嫦娥五号和天宫空间站 ， 没有「胖五」这个量级的火箭根本想都不用想 。
人类航天史上的创举
虽然中国在火星探测领域上仍是一名追赶者 ， 但起点却非常高 。 天问一号这次将完成一项人类航天史上的创举 ， 在一次发射中同时完成「绕落巡」」三大任务 。
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所谓「绕落巡」 ， 简答来说要让一颗卫星绕着火星飞行 ， 同时让一个着陆器降落到火星上 ， 并排出一辆火星车在巡航 。
这三项任务其实早在几十年前就已经有国家实现 ， 但都是分多次完成 ， 从来没有哪个国家可以在一次任务同时实现 ， 一旦实现就是航天史上一个新的里程碑 。
不可否认 ， 这一方面是因为我们站在了巨人的肩膀上 ， 美苏过去对火星的探索让火星的地貌、气候等被了解 ， 但更离不开我国在航天技术上的进步 。
一旦这次任务成功 ， 中国将成为继美国后 ， 世界上第二个独立掌握火星着陆巡航探测技术的国家 。
决定成败的「黑色 7 分钟」
登陆火星之所这么难 ， 最大的挑战其实是着陆过程的「黑色 7 分钟」 。
据中国科学院院士 、航天科技集团科技委主任包为民介绍 ， 天问一号着陆火星主要分为气动减速、伞系减速、动力减速、着陆缓冲 4 个阶段 ， 历时 7-8 分钟 。
天问一号在进入大气层时 ， 要将速度从 4.8 公里/秒在 5 分钟内减速到 460 米/秒 ， 而且还要精确控制与大气层的角度 ， 角度太大会因为与大气摩擦导致过于高温 ， 角度太低则无法进入 。
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接着降落伞就要打开了 ， 在 90 秒内将速度降至 100 米/秒以下 。 如果风速太大可能也会导致着陆失败 ， 可对于这个风险我们只能听天由命了 。
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当着陆器距离火星地表 3-5 公里时 ， 就可以把降落伞扔掉 ， 启动反推发动机 ， 抛掉大底和背罩 ， 露出着陆平台和火星车 ， 逐步减速到 3.6 米/秒 。
最后 100 米 ， 着陆器要自主检测避开障碍物 ， 寻找安全的着陆地点 。 在与火星接触的瞬间依靠四条着陆腿来缓冲和吸收最后的冲击 ， 保证平稳着陆 。
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以上几个阶段 ， 只要某一个环节出现问题 ， 就可能前功尽弃 ， 用全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩的话来说：
每个环节都必须精准无误 ， 其难度不亚于在巴黎打一个高尔夫球要落到东京的一个洞里 。
此外由于地球和火星距离过于遥远 ， 会存在 20 分钟左右的信号延迟 。 着落的全过程要由天问一号自主完成 。
自从 1960 年人类首次发射火星探测器以来 ， 一共 15 次尝试在火星着落 ， 只有 8 次成功着陆 ， 这也让火星收获了「探测器坟场」的称号 。
让我们祝福「天问一号」吧 。
中国首辆火星车
如果顺利着陆 ， 火星车就会从天问一号的着落器的肚子中释放出来 ， 经过一个滑梯驶向火星 ， 在这片红色大地上留下自己的痕迹 。
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这个火星车的外形和电影《机器人总动员》中的机器人瓦力有几分 ， 方形的脸有两只方形的眼睛 ， 还有展开的四片深蓝色太阳能电池板 。
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在动辄零下几十度的火星 ， 这辆火星车一般在气温舒适的午后工作 ， 同时储存电能 。 同时它还有面对威力地球 12 级台风台风强 6 倍沙尘暴 。 美国的火星车就曾因为沙尘暴而故障 。
天问一号火星车设计寿命为 90 个火星日 ， 但实际能服役多久不好说 。 比如设计寿命同样是 90 天的火星车机遇号 ， 却因为沙尘暴吹开了太阳能电池板的尘埃得以继续工作 。
最终机遇号在火星上工作了 15 年 ， 以秒速 1 厘米在火星表面行驶了超过 45.16 公里 ， 创下了火星车的行驶距离记录 。
到火星上干什么
我们为什么要花费大量的人力物力将天问一号送上天不只是证明我国的航天实力 ， 还要进一步探索火星 。
这次天问一号共携带了 13 台探测仪器 ， 分别肩负着不同的任务 。
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其中轨道器的 7 台仪器 ， 负责探测火星的地形地貌、岩石分布、气候变化 。 其余 6 台仪器则放在火星车上 ， 探测火星地下土壤的成分和分布 ， 并搜寻水冰信息 。
这些探索将进一步为我们揭开火星的面纱 ， 可能会给火星的演化过程、是否存在过生命等问题上给出更全面的答案 。
人类探测火星 60 年 ， 在失败中前进
人类对火星进行精密天文观测的历史可以追溯到 16 世纪 ，丹麦天文学家布第谷·布拉赫在哥本哈根附近的汶岛建立西方首个大型天文观测基地 ， 对火星等行星进行观测 ， 后来普勒和伽利略望远镜等更精密的设备观测火星 。
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不过人类向火星发射探测器也要从 60 年前开始 ， 1960 年苏联发射的首颗火星探测器就以失败告终 。
据统计 ， 目前为止人类一共 44 次向火星发起挑战 ， 成功和部分成功的任务仅有 23 次 ， 完全成功率只有 43% 。 而中国首颗火星探测器 ， 也在 2011 年随着俄罗斯火箭发射的失败而折戟 。
不过人类航天史的奇迹就在这样一次次失败中前进 ， 就像 SpaceX 的座右铭：
【天问一号|刚刚，“天问一号”发射成功，中国首次火星探测任务启航】大胆假设一个几乎不可能完成的目标 ， 永不退缩、低头 ， 跨过每一道阻碍 。
马斯克计划在 2024 年将宇航员送上火星完成 ， 并在 2050 年之前将 100 万人移民火星 ， 最终让人类成为「多维星球物种」 。
在这看似天方夜谭的设想 ， 经过 SpaceX 一次次航天里程碑和各国航天技术不断突破后 ， 已经从「不可能变为看起来可能 ， 并在有生之年实现 。 」
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▲ SpaceX 载人航天首飞.
到那时 ， 我们会像科幻小说《火星编年史》作者雷·布雷德伯描绘的那样 ， 我们在飞船上看着逐渐远离的地球：
整个地球也只不过是一颗沾染泥巴的棒球 ， 被人投掷出去 ， 愈飞愈远；此时 ， 你开始感到孤寂 ， 漫步在苍穹的绿茵中 ， 朝向一个无从想象的地点前进 。
而中国航天人未来的目标 ， 正是这样的星辰大海 ， 就像中国科学院院士所说欧阳自远的：
中国有能力飞得更远 ， 我们也应该飞得更远 。 我们要探测整个太阳系 ， 我们要向太阳系的星辰大海挺进 ， 这就是我们的目的 。
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