执行中国首次火星探测任务（行星探测工程“天问一号”任务）的“长征五号”遥四运载火箭。图源中国航天，摄影：崔岳豪 史啸

撰文 | 苏 萌

苏萌，本科毕业于北京大学物理系，2012年获哈佛大学天体物理学博士，2016年起任香港大学物理系副教授兼空间研究实验室执行主任。曾任麻省理工学院Pappalardo Fellow/Einstein Fellow，高能天体物理学最高奖Bruno Rossi Prize 最年轻得主，研究工作入选美国物理学会评选的“世界十大物理学进展”、《天文学》杂志评选的年度十大天文学进展等。主要研究方向有宇宙起源与早期演化，暗物质与暗能量探测，行星科学与深空探测，高能天体物理与引力波探测等。参与国内外多个空间科学探测项目，包括南极宇宙微波背景辐射望远镜，我国首颗空间天文卫星“暗物质粒子探测卫星”，在我国西藏阿里地区建设世界上海拔最高的天文望远镜，寻找宇宙大爆炸时期产生的“原初引力波”等。他同时积极开拓全球商业航天领域的“中国机会”，推动太空资源的开发与利用。

刚刚，“天问一号” 火星探测器在我国海南文昌发射场发射升空。这是中国首次行星探测任务。“天问一号” 由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成，总质量约5吨。本次探测任务将一次性完成 “绕、落、巡” 三大任务，这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。

今天的巡天报告，我将带大家一起认识中国的火星探测之旅。

1、为什么要去火星

各种科幻电影里，经常出现人类把火星当作移民太空的目的地，最近也有不少火星题材的科幻电影找到我咨询相关的内容。火星之所以成为人类太空移民的首选地，首先是因为它是与地球相对距离比较近的邻居之一，与地球同处于太阳系的“宜居带”中。

另外，很多学者认为火星曾经具备非常宜居的行星环境，也是太阳系内跟地球环境最相似的行星。火星实际上拥有支持生命所需的所有资源，未来人类有可能通过开发、改造与利用，形成新科技文明，让人类实现在另一个星球的繁衍，成为多星球、跨星际的物种。

当然这一切的实现都依赖于人类未来能大规模登陆火星、必要物资运输往返于地球与火星，我们需要学会如何有效的利用太阳能，将火星本地的物质转化为可以利用的资源，在火星建立越来越多适合居住的城市，并最终将它改造成一个更适合居住的星球——人类的第二家园。今天我们走出的就是通向这个激动人心的未来的第一步。

2、26个月一次的太空旅行

关于火星探测，一个常见的名词就是“火星冲日”，每26个月才会出现一次的天文现象。

如何理解这一现象对于火星探测的意义呢？

在太阳系这个“操场”上，八大行星在各自的跑道上逆时针绕着太阳跑。地球在第三跑道，火星在第四道，即便跟火星挨着跑道距离“不算远”，也是到月球距离的140倍到1000倍。

地球的公转周期是365天，火星的公转周期是687天（也就是说火星上一年相当于地球上两年的时间），二者会合周期是779.9天。由于行星公转的非均匀性，可以说地球和火星处于在最近点的时间间隔为780天，就是约26个月，也就意味着一旦错过发射窗口就需要再等两年。

2020年是两年一次的火星年，而今年的7月中旬~8月中旬则是最佳的 “火星探测窗口月” 。今年10月14日将迎来 “火星冲日” 的天文学现象，也就是说到时火星、地球和太阳所处的轨道位置将能大致形成一条直线，火星和地球的距离也将相对最近（今年的距离大约是6700万公里）。

当然，如果等到“火星冲日”之时再从地球发射探测器，等你几个月飞过去，火星早已不在原地等你了。所以考虑到我们与火星的距离以及地球和火星的公转速度，最佳的发射时间是“火星冲日”之前两个月左右，此时火星恰好处于地球前方约44°的相对位置。

因此，每隔26个月才会出现一个发射机遇期，每次时长约在一个月左右，这就是火星探测器的“发射窗口”。阿联酋“希望号”火星探测器前几天刚刚升空，顺利的话NASA的“毅力号”也将紧随我国“天问一号”之后在七月底前后发射。

从轨道设计的角度，为了提高效率、节省燃料，火星探测器升空后将会进入所谓的“霍曼转移轨道”，这是一种相对简单、经济稳妥的经典地火轨道转移方式。这样火星探测器在途中只需要两次引擎推进（但是每次还是要消耗不少燃料）就可以从地球轨道进入火星轨道，缩减燃料携带量。即便如此，天问一号一大半的发射质量都会被变轨需要的燃料质量所占据，当然还包括减速制动进入火星轨道的燃料消耗。

3、探测火星有多难

从1964年“水手4号”火星探测器发射，1965年回传第一张火星表面照片开始，50多年时间里，人类已先后对火星开展了大约50次火星探测，但是整体上的成功率也就一半左右。为什么火星探测这么困难呢？

探测火星的难度主要存在于在地球与火星之间距离遥远，以及对火星环境的不可控性上。相比地月距离，地球与火星的距离最远时约为4亿千米，最近时也有约5600万千米。以我国这次将要发射的火星探测器为例，需要飞行200多天才能到达遥远的火星。这带来的首个挑战，就是在携带燃料有限的情况下，探测器如何能够飞越如此遥远的距离，并且要精准地进入火星轨道。这就需要我们对探测器飞行轨道进行精密的设计。

通常来说火星探测有四种方式：

探测器从火星轨道飞掠（也就是不被火星引力俘获），抓拍照片（早期的火星探测连抓拍都没能实现，第一次还是1965年前苏联的水手四号实现了模糊抓拍）；在火星轨道上绕飞，进行较远距离的遥感探测的环绕器；探测器实际降落到火星表面，开展火表就位探测和实验（着陆器）；以及能在火星上具备移动能力的巡视器（火星车）。

2016年1月批准立项的“天问一号”是我国首次自主执行火星探测任务，计划一步实现火星环绕、着陆和巡视探测（一次性实现“绕”、“落”、“巡”三大任务），获取丰富、立体、多样的火星探测科学数据，这在世界航天史上还没有过先例。即使我们有了“五战五捷”的探月经验作为基础，也依然面临着非常大的挑战。采用这种跨越式发展的路线，将迈出我国行星深空探测坚实的第一步，更体现了我们国家航天工业水平的深厚积累和自信！

根据目前的计划，探测器将于2021年2月11日前后进入环绕火星运行的轨道（期待牛年开局大戏），并于2021年4月23日（中国航天日前夕）通过着陆器降落火星车到火星表面，进行设计寿命90天的探索工作。

“天问一号”火星探测器进入太空后，整流罩中的“天问一号”火星探测器会与火箭“星箭分离”，先在地球附近加速，中途会进行必要的修正，进入霍曼转移轨道利用惯性保持飞行，进入正确轨道对火箭的运载能力和入轨精度有很高的要求，所以这次发射任务使用了新一代运载火箭中推力最大的 “胖五” —— 长征五号运载火箭，这次任务也称之为长征五号遥四运载火箭。

“天问一号”独自飞向火星的孤独之旅大概需要7个月的时间，在惯性飞行过程中不需要消耗燃料。等到达火星轨道时，探测器会择机进行“刹车”制动，降低飞行速度进入火星引力场范围，切入火星轨道，被火星捕获。这又是一个精准的操控过程：在切入火星轨道时，如果切入点离火星太近，探测器可能会坠毁；如果太远，探测器可能无法被引力捕获而掠过火星。本次火星探测任务需要实现的第一阶段目标就是：环绕火星飞行。

切入火星轨道后，再经过多次调整，环绕器就可以在任务轨道进行环绕探测了。这时我们将迎来本次火星探测任务的第二个阶段，也是最难的任务—— 火星软着陆。火星探测器需要将2万多公里每小时的超高速，减到火星着陆时的零速度，整个过程需要在7分钟内完成，也被行内称为“恐怖7分钟”。在7分钟内，让其速度在受控状态下降为零。我们知道火星大气密度却只有地球的1%，并不利于降速。实现在火星上的安全着陆，是火星探测任务中技术难度最大、失败率最高的环节。着陆器何时开始减速进入火星大气、进入的姿态、进入的角度都需要精准的控制，每一个环节的细节都是着陆能否成功的关键，必须非常精确，不容任何闪失。我们对于火星上特殊的环境，尤其是大气状况的了解非常有限。再加上地火距离遥远，从地球发送到火星的单程无线电信号，单程延时超过20分钟，一来一回就是一个小时，火星探测实时响应无法实现，不可能依靠地球指挥着陆。

“天问一号” 任务计划采用的减速方式将分为四个阶段进行。第一个阶段是气动减速段，探测器先从运行轨道自由下落，与大气层发生剧烈摩擦，等于踩下“急刹车”，在大约290秒内将速度从4.8 km/s骤然降低到460 m/s。在经历大气层的严酷考验后，紧接着探测器打开降落伞缓缓降落，在大约90秒后，速度会降到进一步约95 m/s。随后进入第三个阶段—— 动力减速段，探测器的反推发动机开始工作，在80秒内将速度降到3.6 m/s以下。当探测器距离火星表面约100 m高时，就进入了最后的着陆缓冲段，探测器准备开始悬停避障。此时探测器的速度已经很慢了，探测器会自主观察火星表面，快速计算出最佳着陆点。最终它将水平移动到该点上方，伸出“四条腿”，并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。

另外火星地表沙尘暴非常暴烈，一旦发生全球性沙尘暴，破坏力是地球12级台风的6倍。苏联的探测器就有遇到了沙尘暴而导致任务失败。现在只有美国软着陆火星成功过，但失败也同样很多。可以说月球探测的难度跟火星探测相比，一个是渡江，一个是跨洋。一切顺利的话“天问一号”着陆巡视器将选择合适时间软着陆在火星表面的乌托邦平原，火星车从着陆器缓缓走下，开始巡视和科学探测任务。这是 “天问一号” 的一小步，也是中国行星探测的一大步。

4、天问：怀揣中国航天梦的远征

说了半天“天问”一号，“天问”的命名来源于中国伟大的爱国主义诗人屈原长诗《天问》，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技不断创新永无止境。2020年4月24日中国航天日上，中国行星探测任务被正式宣布命名为“天问系列”，首次火星探测任务被命名为“天问一号”，后续行星任务则依次编号 。

这里介绍一下中国行星探测工程的整体概念，它以“揽星九天”作为工程的图形标识，太阳系八大行星依次排开，表达了宇宙的五彩缤纷，呈现科学发现的丰富多彩。标识以开放的椭圆轨道整体倾斜向上，展示了独特字母“C”的形象，代表了中国行星探测-China，体现着国际合作精神-Cooperation，标志着深空探测进入太空能力-C3。意义深远的名称与图形标识承载着中国人航天强国的梦想，为人类和平利用太空推动构建人类命运共同体贡献更多中国智慧、中国方案、中国力量。前往未至，发现未知。