火星探测器|“天问一号”火星探测器顺利发射，但火星探索任务尚未成功
北京时间7月23日12时41分 ， 中国『天问一号』火星探测器搭乘长征五号运载火箭在海南文昌发射场成功发射 。
这是我国首次自主执行火星探测发射任务 ， 并且也是长征号运载火箭首次执行【地-火转移轨道】发射 。
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长征五号运载火箭搭载天问一号发射成功 ， 图片作者：江程杰
自2016年初火星探测项目立项之后 ， 中国在短短四年之间就建立起了包含环绕飞行器 、着陆器、火星车等设备的火星探索基础体系 。
当然 ， 除了中国的【天问一号】其他航天强国也没有闲着 。 阿联酋的首颗火星气象卫星【希望号】在7月20号搭乘日本的运载火箭升空 ， 而美国NASA的【毅力号】火星车也整装待发 ， 预计将在8月15日之前完成发射 。
那么问题来了 ， 为什么人类选择探索火星？为什么近两个月来各国会集中向火星发射探测器？中国的火星探测进程在世界范围内处于什么位置？
为什么是火星？
实际上 ， 人类最早的行星探索之旅的第一目标并不是我们所认为的火星 。 而是地球的另一个邻居：金星 。
金星的半径为地球的95%、质量为地球的82%、密度为地球的95%、重力为地球的90% 。 在太阳系里 ， 金星可以说是跟地球看起来最相像的一颗星球 ， 甚至有科学家将之称为地球的『孪生姐妹』 。
1967年 ， 苏联的金星4号探测器成功进入了金星大气层 ， 但是当探测器着陆舱下降到距离金星地表24.96公里的时候 ， 金星四号突然就和地球失去了联系 。 而在之后的两年 ， 苏联在金星地标上方26公里和10公里分别失去了金星5号和六号 。 连续三次着陆失败 ， 让苏联人明白要想成功登陆金星必须要一台【抗压】能力足够强的探测器 。
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前苏联的金星五号探测器 ， 图片来自网络
一年后 ， 能够承受180个大气压强的金星七号终于不负众望抵达金星表面 。 但是金星七号带来的却是坏消息：金星地表大气压是地球的92倍 ， 平均温度高达475° ， 并且没有液态水的存在 。 也就是说 ， 这个星球并不具备人类生存三要素：【氧气】、【水】、【温度】中的任何一个 。
而其他行星中离太阳太近 ， 木星和土星引力过大 ， 天王星和海王星则距离太阳过远 ， 超过28亿公里 。
所以 ， 人类的行星探测计划就落到了火星这个“近邻”身上 。
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地球与金星、火星是邻居 ， 图片来自网络
这颗离地球最近在5500万公里 ， 最远达4亿公里的暗红色星球 ， 古代的西方人以战神马尔斯（Mars）为其命名 ， 而古代中国人则将其称之为荧惑 。
在天问一号项目启动之前 ， 美国宇航局、欧洲航天局都对火星进行了深入调查 ， 掌握了火星表面的大部分地貌情况 ， 并且对火星大气有了深入研究 ， 发现火星大气压强仅为地球气压的0.6% ， 相当于地球表面35公里的气压 ， 非常稀薄；火星地表温度晚上会降低到零下132摄氏度 ， 赤道一些地区会高一些 ， 平均在零下52摄氏度 ， 但其白天温度可达28摄氏度 ， 一些地区可满足液态水的存在；虽然火星大气成分中96%是二氧化碳 ， 但可以利用科学的办法制备氧气 。
虽然现在的火星并不适合人类生存 ， 但是其已经基本具备人类生存三要素 。 这也就意味着人类在可预见的未来具备在火星上建立殖民基地的条件 。
火星表层存在大量干冰和冰水混合物 ， 构成了人类殖民的基本条件 ， 图片来自NASA
从外空资源开发的角度看 ， 遵循谁先到谁先开发的原则 ， 中国迅速建立火星探测任务体系 ， 也是为今后火星资源的利用奠定基础 。
在这个背景下 ， 中国行星探测第一站选择火星也是一种必然 。
扎堆式发射 ， 错过再等26个月
各国都挤在这段时间奔向火星的原因 ， 是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 。
地球和火星分别是太阳系中距离太阳第三和第四近的星球 。 然而 ， 火星的轨道要比地球大得多 ， 用天体物理学的专业术语解释就是火星的公转轨道高于地球 。 这也导致地球与火星的公转周期大不相同 ， 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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火星大冲 ， 图片来自网络
但是 ， 如果探测器在【火星大冲】时发射的 ， 那就需要火箭从地球出发沿直线一路狂奔至火星 。 可是 ， 在太阳系中 ， 所有天体都受到太阳强大的引力拉扯 ， 要想脱离自有公转轨道需要非常多的燃料 ， 对于目前的航天技术来说 ， 还没有任何一个国家能研发出能搭载如此庞大燃料的航天推进器 。
不过好在 ， 一个叫做瓦尔特·霍曼的德国天体物理学家在其1925年出版的专著《天体的可抵达性》中 ， 详细阐述了他所发明的航天器进行轨道转换时的方案 。 简单来说 ， 就是将转移轨道变成一个巨大的椭圆 ， 椭圆的一端与地球轨道相切 ， 另一端则与目标行星轨道相切 ， 从地球发射的飞行器沿着这一轨道飞行 ， 最终与目标行星交会 。
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著名的【霍曼转移轨道】 ， 图片来自NASA
这种转移方法要求航天器转移轨道和地球公转轨道相切的地方进行加速变轨 ， 从而脱离地球的引力进入转移轨道 。 而航天器在转移轨道运行的过程中由于天体间相互的引力作用几乎不需要燃料 ， 当航天器抵达转移轨道与火星公转轨道相切点时 ， 再让飞船减速被火星引力捕获 ， 从而进入火星的大气层 。
这一转移方法就是著名的【霍曼转移轨道】 。
【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 。 而达成这一位置的周期同样是 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 。
因此今年 ， 除了天问一号外 ， 美国、阿联酋的火星探测器也在这个月发射 。 而欧洲与俄罗斯合作研发的ExoMars火星漫游车 ， 预计将推迟到2022年发射 。
在失败中前进的星际探索
虽然现在已经发射成功 ， 并且有了「霍曼转移轨道」的助力 ， 但是就此宣布中国首次火星探测任务成功还言之尚早 。
中国空间技术研究院研究员庞之浩曾说 ， 探测器进入火星轨道的难度 ， 相当于从巴黎打一个高尔夫球要正好落到东京的某个球洞里一样 。 一名美国科学家则曾形容 ， 火星探测器着陆时的心情就好像丈夫在产房外等待妻子分娩一样 。 可见火星探测任务的难度之大 。
要知道 ， 中国第一台火星探测器就是在进行脱离地球轨道变轨时出现了差错 ， 从而导致整个计划失败 。 而成功进入「霍曼转移轨道」后 ， 在七个月的太空航行时间中 ， 也有可能随时发生意外 。
就算最终安全到达火星轨道也不能掉以轻心 ， 因为降落的过程才是整个任务中最难过的坎 。
前苏联火星三号探测器 ， 图片来自网络
截止2011年苏联（俄罗斯）总共发射过20次火星探测器 ， 几乎全部失败 。 唯二的两次部分成功 ， 都在探测器着陆之后损坏 。 目前苏联（俄罗斯）在火星上工作时间最久的火星3号探测器 ， 只在火星表面存在了短短二十秒 。
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 。
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 。
接着降落伞就要打开了 ， 在 90 秒内将速度降至 100 米 / 秒以下 。 当着陆器距离火星地表 3-5 公里时 ， 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 。
以上几个阶段 ， 只要某一个环节出现问题 ， 就可能前功尽弃 。
此外 ， 因为地球与火星的距离太过遥远 ， 从地球发出的指令需要多达几十分钟才能送达火星探测器 ， 而这整个着陆过程仅有7-8分钟 ， 也就是说 ， 这一切都需要天问一号自主完成 ， 在地球上的我们只能够听天由命 。 这整个降落的过程则被天文学家们戏称为【黑色七分钟】 。
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人类44次的火星探索任务中 ， 一共有15次尝试在火星地表着陆 ， 只有8次成功 。
【火星探测器|“天问一号”火星探测器顺利发射，但火星探索任务尚未成功】三步并作一步走 ， 天问或将实现弯道超车
尽管难度如此之大 ， 但是各国对于火星的探索却从未止步 。 那么 ， 各国的火星探索现状如何 ， 中国在这场火星竞赛中又扮演什么样的角色呢？
整个火星探索任务中 ， 根据任务的形式不同 ， 可以将任务分为绕（卫星绕火星飞行）、落（让着陆器降落在火星地表）、巡（派出火星车在火星上续航） 。 这三个任务难度依次递增 ， 目前全世界能够完全做到【绕落巡】任务的国家只有美国 。
美国：丰富的成功经验+天才的马斯克
美国目前有五个探测器在火星运行 ， 其中包括三个卫星：火星奥德赛号、火星侦察轨道器、火星大气与挥发演化探测器 ， 和两部火星车：机遇号、好奇号 。 这无疑让美国在火星探索层面遥遥领先 。
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美国好奇号火星车 ， 图片来自网络
并且 ， 在美国还拥有SpaceX和马斯克的星舰计划 。 马斯克的星舰计划要移民100万人到火星 ， 目前已经进行了至少11次测试 ， 原型机建造到星舰SN9阶段 ， 预计在2020年7月进行第12次测试 。 虽然过去的11次测试大部分都以失败告终 。
星舰SN9原型机在今年7月的测试预计飞行20公里高度 ， 一旦成功将可能转入试飞型号生产 ， 并在2030年左右登陆火星 。 并且 ， 马斯克和他的SpaceX已经成为了世界上第一个将宇航员送入太空的个人商业公司 ， 其未来的能量不可估量 。
前苏联：第一个吃螃蟹的人 ， 就舔了下壳
排名第二的就要数前苏联了 ， 1962年苏联发射的“火星1号”探测器被公认为人类迈向火星的第一步 。 在此之后苏联也一直不断在火星探测方面进行更进一步的尝试 ， 比如将火星车送上火星地表 。 但是其所有的探测任务几乎全部失败 。
其工作时间最长的火星着陆舱也不过20秒 ， 但是也算完成部分完成了【落】任务 。
欧洲航天局和俄罗斯：欧洲老传统 ， 钱不够就延期
2004年2月 ， 欧洲航天局正式公布了一份雄心勃勃的火星探险“路线图”——“极光计划” 。 该“路线图”的“终极目标” ， 就是让欧洲宇航员在30年之内 ， 也就是2033年之前登陆火星 。
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ExoMars火星车概念图 ， 图片来自网络
然而 ， 原本定于2018年的【ExoMars】火星车计划由于财政压力延期至2020 。 今年年3月12日 ， 欧空局和俄罗斯宇航局又宣布【ExoMars】延期 ， ExoMars 2020在欧空局官网上被改成了ExoMars 2022 。
目前 ， 欧洲在火星探索方面的最大成就 ， 依然是欧洲航天局和俄罗斯合作进行的火星快车空间探测器 ， 这是一颗卫星探测器 ， 也是苏联解体后欧洲在火星探测方面最大的成就了 。
阿联酋和印度：阿拉伯和亚洲的骄傲
而印度和阿联酋都先后发射了自己的卫星型火星探测 ， 印度的“曼加里安”火星探测器于2014年成功进入火星轨道 ， 并发回所拍摄的火星照片 ， 从而成为继苏联、美国和欧洲之后世界第4个成功探测火星的国家或组织 ， 也是亚洲第一个成功探测火星的国家 ， 完成了【绕】的任务 。
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阿联酋希望号火星探测器 ， 图片来自网络
本月 ， 阿联酋【希望号】火星探测器 ， 在日本种子岛太空中心由日本H-2A运载火箭发射成功 ， 开启前往火星之旅 。 如果任务成功 ， 那么【希望号】将成为阿拉伯世界第一枚火星探测器 。
不难看出 ， 中国在火星探测领域上仍是一名追赶者 。 但是 ， 中国起点却非常高 。 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 。
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 。 也将是世界上第一个在一次发射中同时完成【绕落巡】三大任务的国家 。
【天问一号】的名字取自我国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、日月星辰发出列如【九天之际 ， 安放安属？】的天问 。
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图片来自微博用户@more_space
从国家层面来说 ， 随着嫦娥四号着陆器和月球车已在月球背面顺利完成一系列科学探测工作；长征五号遥三运载火箭发射；高分、北斗在全球进行精准标绘、高精度定位工作 。 【天问一号】的发射成功标志着中国的航天事业又向前迈进一大步 。
而从全人类的层面 ， 我们之所以孜孜不倦的探索宇宙和其他星球 ， 是因为我们相信在那些未知的深空里藏着全人类的未来 。
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火星还有许多未知等着我们去探索 ， 图片来自网络
就像美国国家地理的纪录科幻片《火星时代》中 ， 在火星上空开启降落程序时 ， 舰长对地球说出的最后一句话一样：
那么我们就已经投身无尽的黑暗 ， 为了你们可以看到光明 。 （Then we went to the darkness, so you can see the light）
随着人类航天事业的不断发展 ， 小探相信总有一天 ， 类似【从哪里来 ， 到哪里去？】、【九天之际 ， 安放安属？】这样的“天问”终将被解答 。
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