成都商报红星新闻|下一站火星：恐怖7分钟，天问一号400000000公里闯关之旅
“九天之际 ， 安放安属？”
“日月安属？列星安陈？”
两千年前 ， 屈原在长诗《天问》中发出了这样的旷世之问 。 两千年后 ， 中国航天人要用实际行动给出解答 。
2020年7月23日12时41分 ， 我国首次火星探测任务天问一号搭乘长征五号遥四火箭 ， 从文昌航天发射场成功升空 ， 至此开启长达400000000公里的旅途 。
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天问一号火星探测器发射升空 红星新闻摄影采访人员 刘海韵
火星是地球的邻居 ， 二者同为岩质行星 ， 演化与构造类似 。 火星上有水、稀薄空气、与地球类似的元素、小分子有机物和太阳系最壮观的山川峡谷等 ， 是地球演化历史和未来的重要参照 ， 更是人类梦想成为“跨行星生存物种”的完美下一站 。
从2016年1月正式立项 ， 中国航天人用了1655天 ， 终于用自己的火箭将火星探测器发射升空！
星空浩瀚无比 ， 探索永无止境 ， 那颗红色的星球 ， 我们来啦！
为什么要去火星？
踏上地球的邻居火星 ， 是人类文明毫无疑问的下一步 ， 也是标志着人类完成从仅能生活在一个行星、向能够跨越行星生存生物进化的重要标志 。
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图片由作者提供
火星(Mars)
地球的近邻 ， 西方称之为“战神玛尔斯” ， 在古代中国 ， 人们称它为“荧惑” 。 为什么为给这颗星球取这个名字呢？这是因为它在夜空中呈现红色 ， 荧荧如火 ， 在古人看来 ， 它飘忽不定 ， 亮度也常发生变化 ， 似乎是上天在迷惑人类 。 所以在中国古代这颗行星被命名为“荧惑” 。 阴阳五行学说兴起之后 ， 荧惑有了新的名称——火星 。
从利用肉眼观测再到利用望远镜进行天文观测 ， 人们对这颗飘忽不定的红色星球关注度越来越高 ， 在好奇心的驱使下 ， 人类学会了利用科学的方法来近距离地探索这颗红色星球 。 伟大的航天之父、苏联科学家齐奥尔科夫斯基提出了使用液体推进剂和多级火箭进行太空探索的理论 。 1929年 ， 他的著名科幻小说《在地球之外》出版 ， 小说描写了在2017年以后几年里 ， 一群来自不同国家的科学家和工程师们乘坐火箭驱动的飞船到太空旅行 ， 他们先绕地球飞行 ， 然后降落在月球上 ， 随后继续飞行到火星附近 ， 最后返回地球 。 如今再读这部小说 ， 你会觉得科幻 ， 尽管人类还未踏足火星 ， 但小说里的很多场景已经实现 。
现代航天理论和火箭理论的奠基人齐奥尔科夫斯基曾经说过：“地球是人类的摇篮 ， 但是人类不会永远生活在摇篮里 ， 而会不断地去争取生存世界和空间 。 首先他们会小心翼翼地穿出大气层 ， 然后去征服整个太阳系 。 ”
在太阳系中的八大行星中 ， 除了我们已经探索几千年的地球之外 ， 火星是唯一一个存在于宜居带中的星球 。 如图 ， 地球的另外一个邻居因为过热 ， 而被排除在宜居星球之外 。
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图据Chester Harman NASA/JPL
宜居带的判定标准
是该区域的温度高低 ， 是否可以让液态水存在 。 液态水对于生命的存在是决定性因素 ， 可以存在液态水的区域被称作是宜居带 。 而这里宜居带分乐观宜居带和保守宜居带 ， 乐观宜居带的评判标准就是简单的液态水存在 。 而保守宜居带的评判标准还有温度不能过高 ， 温度低了可以通过产热加保暖来克服一下 ， 但是温度过高就很难克服了 。
而火星 ， 处于保守宜居带内 ， 可以允许液态水存在 。 太空探索路线里 ， 离开了地月系之后火星是首选 。 需要注意的是 ， 这里的“宜居” ， 指的是生存候选星球 。 和房地产广告里的“宜居”有本质区别 。
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图据NASA
火星相比于地球 ， 体积小了很多 ， 表面干旱 ， 而且大气也很稀薄 ， 小于1%的地球大气压 ， 而且以二氧化碳为主 ， 没有像地球一样的大偶极场来阻挡高能射线 。 所以 ， 虽然火星是宜居带星球 ， 但即使是移民火星也不能像在地球上一样舒适地生活 。
除了“宜居星球”身份 ， 火星探测对于天文学观测还有潜在的重大的促进意义 ， 在射电观测中越长的基线意味着越高的分辨率 ， 所以有台站遍布全世界的甚长基线干涉阵 ， 1997年的时候 ， 日本发射一个射电望远镜到近地空间得到了2.5万KM的基线长度 。
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射电望远镜 图片由作者提供
如果能在火星上建起射电望远镜 ， 并与地面站形成干涉阵 ， 那么基线长度将会达到10^9千米的量级 ， 相应的理论分辨率也会提高很多 。 而且 ， 由于特殊位置以及质量体积相对较小 ， 火星是地月系外最容易登陆的行星 。 下一步如果射电天文扩张到星际长基线干涉 ， 火星将是第一个天线的落脚点 。
去火星有多难？
从上世纪60年代开始 ， 苏联和美国纷纷向火星发射探测器 ， 迄今为止 ， 人类对火星进行了45次探测 ， 实现了飞跃、环绕、着陆和巡视 ， 但成功率不高 ， 不到50% 。 通过下面的表格可以看出 ， 和飞跃、环绕探测相比 ， 着陆、巡视类探测任务更是难上加难 ， 成功率很低 ， 通过这些数据也能看出到达火星、着陆火星难度还是很大的 。
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图片由作者提供
为征服眼前这个荧荧如火的星球 ， 中国航天人进行了数年的努力 。 如今 ， 天问一号的闯关之旅才刚刚开始 。
关口一共有8道：
第一关：必须抓住的发射窗口 。
第二关：需要强力的运载火箭 。
第三关：切入霍曼转移轨道 。
第四关：深空导航制导与控制 。
第五关：“绕、着、巡” ， 一个都不能少 。
第六关：切入轨道 ， 静待时机 。
第七关：着陆时的恐怖七分钟 。
第八关：巡视器出发 ， 开机工作 。
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图片由作者提供
我们着重介绍一下第七关 ， 它可以被形容为“刀尖上舞者”在火星表演着陆艺术 。
由于距离过于遥远 ， 地球和火星双向通讯延时将长达几十分钟 。 且火星着陆时间一般仅在7~8分钟左右 ， 地面工作人员不可能人工控制复杂的火星着陆过程 ， 这一切全要靠着陆器自己完成 。
火星有大气 ， 但又特别稀薄 。 这成了航天人又爱又恨的因素：一方面 ， 可以利用大气气动减速 ， 使用降落伞；另一方面 ， 必须找准进入角度 ， 过大着陆器会过热焚毁 ， 过小会打水漂一样滑入深空 ， 根本无法着陆 。 更重要的是 ， 火星大气的密度还太低了 ， 甚至还不足地球大气层的1% ， 即便最大极限地利用了火星大气减速 ， 依然无法把速度降到理想状态 ， 要想着陆火星必须自带反推火箭 。
让我们来大概描述一下天问一号着陆的过程吧：
刚开始 ， 通过整体和隔热大底气动减速约5分钟 ， 着陆器速度从约5千米/秒减速到数百米/秒 ， 已到极限 ， 隔热大底的温度已升到2000余摄氏度 。 此时 ， 巨大降落伞展开 ， 在不到100秒时间内把速度进一步降低到约100米/秒 。 随后 ， 隔热大底、降落伞和支撑结构先后脱离着陆器 。 被烧蚀得不成样子的隔热大底将会坠向火星表面 ， 成为天问一号最先抵达火星表面的部分 ， 也算是它“蜡炬成灰泪始干”的“褒奖” 。
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天问一号着陆器最后着陆阶段艺术效果图 图据中国航天局
大戏刚刚开始 ， 着陆器自带的反推火箭开始全力工作 ， 逐渐降低速度 。 着陆器先是在火星表面数十米的高度悬停 ， 底部所有仪器开启 ， 认真筛查地表情况 ， 最后确认着陆地点 。 认定后 ， 最终缓慢软着陆到火星表面 。
其实第五关也极度复杂 ， 人类探测火星60年来 ， 共有四种任务类型：惊鸿一瞥的“飞掠”、登高望远的“环绕” ， 观天测地的“降落”和自由移动的“巡视” 。 其中 ， “飞掠”仅是在早期技术不成熟或其他任务兼职探测火星时使用 ， 另外三种是近些年来的任务类型主力 。
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火星探测四大任务类型 图片由作者绘制
一般而言 ， 火星探测任务都会采取“绕”“着”“巡”分开的形式以降低难度 。 即便如此 ， 几十年来人类探测火星的任务成功率仅有一半左右 。 而这次天问一号的选择包括了环绕器、着陆器和巡视器三个部分：
“小孩子才做选择 ， 绕、着、巡 ， 我都要！”
去火星干嘛？
此次探测任务的目标分两类：工程目标和科学目标 。
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工作状态的火星车艺术效果图 图据中国航天局
其中工程目标就是上面提到的完成“绕着巡”三步 ， 掌握火星探测的关键技术 ， 积累经验 ， 为后期更进一步的深空探测打下基础 。
科学目标就是对于火星进行环绕探测和巡视探测 ， 获取火星全球信息和重点区域高分辨率信息 ， 天问携带了13个科学载荷 ， 主要包含五个科学目标：（1）地质地貌特征；（2）土壤特征和水冰分布；（3）表面的物质组成；（4）大气和电离层以及表面气候特征；（5）物理场合内部结构 。
值得一提的是 ， 天问一号携带的火星“磁强计”是由中科大的日地空间组研制的 ， 它服务于第5项科学目标 ， 探测火星的磁场特性 。 毕竟“探测器”的终极目的是“探测” ， 能让我们更了解火星 。
向中国航天人致敬！
航天界常说:“运载火箭的能力有多大 ， 航天的舞台就有多大 。 ”想实现火星探测 ， 意味着探测器不仅要突破第二宇宙速度 ， 完全摆脱地球引力 ， 还要在此基础上进一步加速 ， 在抵达火星前尽力摆脱太阳引力的巨大影响 ， 而太阳的质量是地球质量的30余万倍 。
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三大宇宙速度是人类航天探测的三道鸿沟 图片由作者绘制
这对探测火星的运载火箭要求极高 ， 基本都是各国最为强力的火箭系列 。 即便如此 ， 探测器占火箭总体质量的比例都在1%以下 ， 绝大部分质量都用于装载推进剂 ， 这是人类航天梦想的巨大代价 。
对于总重5吨左右的天问一号而言 ， 带它前往火星的就是长征系列中最强的长征5号火箭 。
为了让火星探测器不错过2020年夏天这个宝贵的窗口 ， 这几年中国航天人经历了太多太多 。
2016年11月长征五号完成了首飞；随后 ， 在2017年7月执行了第二次发射任务 ， 但由于芯一级氢氧发动机出现故障导致任务失败 。 经过908天的蛰伏 ， 2019年12月27日 ， 长征五号火箭成功复飞！长征五号火箭的可靠性得到验证 ， 完成试验性发射转入应用性发射 。 为今年夏天执行火星探测任务奠定重要基础！
长五复飞成功那天 ， 总设计师李东作诗庆祝：
《青玉案·复飞》
怎堪回首说断箭 ， 泪满面 ， 肝肠断 。 风雨寒暑十三年 ， 一夕霜过 ， 江东父老 ， 愧疚无颜见 。
枕戈饮胆九百天 ， 万般磨砺难尽言 。 今夜可敢片刻闲？硝烟才散 ， 举眸广寒 ， 何日月又圆?
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请记住他们的名字 ， 从左到右分别是：长征五号火箭总设计师李东、实践20卫星总指挥周志成、中国运载火箭研究院书记李明华、长征五号火箭总指挥王珏 图片由作者提供
在诗作后面 ， 李东还写了一段短文：
“十三年的研制 ， 两年半的负重拼博 ， 数不清的波折磨砺、艰苦卓绝 。 复飞成功之夜 ， 浓云密布 ， 因为抬头望不到月亮 ， 才更愧疚因长五而影响的嫦娥五号任务 ， 倍感压力如山 。 怎敢贪片刻喜悦轻松？明年几次重要发射 ， 首尾相接 ， 环环相扣 ， 如履薄冰 ， 如临深渊 ， 不敢半分懈怠 ， 不容片刻喘息 。 ”
2020年5月5日18时 ， 我国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭成功首飞 ， 为接下来的发射开了个好头 。 根据计划 ， 天问一号火星探测器发射之后 ， 10月底前后 ， 嫦娥五号探测器将由长征五号运载火箭发射升空 ， 执行月面采样返回任务 ， 去月面取2kg“土特产”回来 。 按原计划 ， 嫦娥五号探测器在2017年11月底发射 ， 由于长五遥二的失利 ， 被迫等待了近3年的时间 。
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近几年世界各国火星探测任务的主力火箭 图片由作者提供
再来说说火星探测器 ， 虽然我国火星探测起步较晚 ， 但是起点高、跨度大 ， 一次性实现“绕”“落”“巡”三大任务！如果一切顺利 ， 将使我国成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家 。 一步跨越几十年 ， 实现弯道超车！这样形式的探测还没有哪个国家实现过 。 火星探测器总设计师孙泽洲说 ， 这体现出中国在空间技术发展中的“首创精神” ， 但难度非常大 。
和月球探测不同 ， 火星探测器距离地球最远可达4亿公里地火最远距离约为地月距离的1000倍 ， 由于距离遥远 ， 信号往返地球与火星探测器需要40多分钟 ， 这就要求探测器具有很强的自主控制能力 。 特别是最后的进入/下降/着陆（Entry Descent and Landing ， EDL）阶段 ， 需要探测器根据情况自主判断 ， 如果出现问题等地面判断回复指令根本来不及 ， 分分钟就game over了 。
还有一点 ， 和月球不同 ， 火星有大气 ， 还非常稀薄 ， 火星大气的密度只有地球的百分之一 。 就这点稀薄的大气成了火星探测的老大难 ， 让火星显得十分不“友好” 。 在火星上 ， 还时不时来场沙尘暴 ， 给巡视探测增加一定难度 。
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探索永无止境 图片由作者提供
火星探测器总设计师孙泽洲在接受采访时曾说：“当年我们研究如何登陆月球时 ， 觉得月球如果有点大气该多好啊 ， 我们要完全靠探测器携带推进剂 ， 一共不到4吨的发射重量 ， 三分之二带的都是推进剂 。 可是当我们开始研制火星探测器时 ， 发现有大气也很麻烦 ， 虽然不用带那么多推进剂了 ， 但是火星大气的不确定性带来的问题 ， 要比没有大气复杂得多 ， 有些事靠运气 。 ”
根据规划 ， 未来15年左右 ， 中国航天将陆续实施4次重大深空探测任务: 2020年发射火星探测器 ， 一次实现火星环绕和着陆巡视探测；2024年前后进行一次小行星探测；2028年前后实施第2次自主火星探测任务, 进行火星表面采样返回 ， 开展火星构造、物质成分、火星环境等科学分析与研究； 2036年前后开展木星系及行星际穿越探测……
星空浩瀚无边 ， 探索永无止境 。
我们的征途是星辰大海！
希望一切顺利！明年 ， 火星见！
本文综合自知乎问答社区 ， 创作者名单如下：
@太空精酿：代尔夫特理工大学航天工程博士 ， 精酿啤酒、航天、啤酒话题优秀回答者 ， 著有《下一站火星》和《啤博士的啤酒札记》 。
@航天面面观：航天资讯、航天科普 ， 航天话题优秀回答者 。
@Pjer：中国科学技术大学空间物理在读博士 ， 科研、天文学话题优秀回答者 ， 天问一号科学载荷测试参与者 。
红星新闻采访人员 马天帅 王拓 综合报道
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