火星探测器“天问一号”：你想问的，答案都在这里

在4月24日，第五个中国航天日上，备受瞩目的中国行星探测任务命名为“天问(Tianwen)系列”，首次火星探测任务命名为“天问一号”，后续行星任务依次编号。

根据中国国家航天局的消息，与“嫦娥系列”月球探测任务不同，我国计划通过长征五号火箭发射“天问一号”探测器，它由一架轨道飞行器和一辆火星车构成。

按照计划，“天问一号”将在7至8月执行首次火星探测任务，一次性实现“绕、落、巡”三个任务，此外还要完成5大科学目标。相对于其他国家的火星探测规划难度非常大。

人类对于火星这颗类地行星的幻想实在太多。

中国古时相信天人感应，也即上天会用某种方式对人间作出示警。火星也曾被当做上天用来示警的信号。据记载，公元534年初夏的某一天，因为太史报告“荧惑入南斗”——火星运行到了二十八宿中的南斗宿——导致70多岁高龄的南朝梁武帝光着双脚到金銮殿下去跑了一圈。当时谚语称：“荧惑入南斗，天子下殿走”，梁武帝以正统天子自居，就当仁不让地去祈禳了一番。

科幻大师雷·布拉德伯里(Ray Bradbury)则用他诗意浪漫的笔触写下了《火星编年史》(The Martian Chronicles) ，火星人杀害了早期到来的地球殖民者，但水痘却让火星人面临崩溃，人类终于在火星站稳了脚跟后，得知家乡发生核战，又义无反顾地回到了地球。可以说，这部小说里包含了人类探险、扩张、归乡的所有历程。

影视作品的话，应数马特·达蒙(Matt Damon)出演的《火星救援》(The Martian) 最有名气。电影里达蒙饰演的宇航员马克因同事误判，一个人被留在了火星上，但他利用火星的土壤、地球的生土豆、同事和自己的粪便、火箭燃料里分解出来的氢气得到了水，在仓里种起了土豆发了家。

• 什么是火星探测？

火星探测是指人类通过向火星发射空间探测器，对火星进行科学探测活动。

人类从1600年代开始使用望远镜对火星进行观测。1971年11月27日，苏联火星2号的着陆器在火星表面坠毁，成为第一个到达火星表面的人造物。

1971年12月2日，苏联火星3号的着陆器成功在火星软着陆，成为第一个抵达火星的探测器，并在火星表面发出14.5秒信号。

1976年9月3日，美国维京1号的着陆器在火星表面软着陆，成为第一个向地球发回照片的探测器。

2014年9月24日，印度的火星探测器成功进入火星轨道，印度ISRO自此成为继俄罗斯RSA、美国NASA、欧盟ESA之后第四个成功进行火星任务的太空机构。

“天问一号”拟定于2020年7月至8月间的地火转移轨道发射窗口择机发射，由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成。

“天问一号”将一步完成绕、落、巡三步，这将是世界上首次探索火星即完成软着陆的任务。绕：轨道器环绕火星进行探测；落：着陆器软着陆于火星表面进行固定位置的地面探测、巡：巡视器（火星车）在火星表面进行不固定位置的巡视探测。

• 行星探测任务首探火星，为什么？
  

在太阳系八大行星之中，火星是除了金星以外距离地球最近的行星；而金星坏境过于恶劣，人类根本无法生存。

火星是太阳系中最近似地球的天体之一。火星赤道平面与公转轨道平面的交角与地球相仿，所以火星也有类似地球的四季交替；火星的自转周期为24小时37分，这也和地球相似。

火星的潜在资源丰富，其南北极存在不亚于地球上格陵兰岛的淡水资源；火星的土壤中广泛存在2%-3%的水分，还存在一定有机物分子。

火星引力较小、距离小行星带和太阳系外围空间更近，在火星上发射火箭和深空探测的总成本大大低于在地球发射，是人类未来深空探测发展中航天基地的不二之选。

火星冲日大概每隔780天、约26个月出现一次。在此期间，地球与火星的距离在冲日期间会达到极近值，火星冲日意味着这时可以使用较小花费将探测器送往火星，火星探测通常也会利用此天文现象来运作。

2020年7月至8月正值这一“火星探测时间窗口”。

中国科学院国家天文台副台长李春来称，中国首次自主火星探测不仅在于探究火星生命的存在和演化过程等问题，更可借此了解地球的演化历史、预测地球的未来变化趋势，同时也为人类开辟新的生存空间寻找潜在目标。

• 火星探测与月球探测有什么区别？

火星实在太太太远了。

月球和地球的平均距离为38万千米，对于人类而言已是极其遥远的存在；月球围绕地球运动且轨道偏心率很小，与地球的距离相对稳定。火星距离地球在5000万—4亿千米左右，平均距离远远超过地月距离，而且这个范围变化区间非常大。

在地球上，仅需0.13秒就能实现任意两点的通信，地月之间则需要2.5秒，可是，当地球与火星处于最大距离时，即便是光速通信也会有44分钟的延时。

航天专家庞之浩称，探测器进入火星轨道和着陆的那段关键时间，只能依靠研究人员提前输入数据，由探测器进行自主判断，相当于“盲降”。

• 探测火星难吗？

难度极大。

人类使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史，但几十年来，火星探测成功的概率统计下来还不足一半，早期的成功率更是惨不忍睹。

早在上世纪60年代，处在冷战“太空竞赛”巅峰状态的苏联和美国便展开了疯狂的火星探测竞赛。苏联在1960-1988年间进行了近20次探测任务，但没有一次取得完全成功。在航空航天事业上占据领先地位的美国，也是在进入21世纪前后，才迎来比较稳定的成功。

• 难在哪？
  

探测机会难得。即便是派出人类最快的探测器前往火星，也需要老老实实等待每隔780天、约26个月出现的一次地火逼近的机会，一旦错过就需要等待两年多。

需要强力火箭。探测器如果前往火星，不仅需要完全摆脱地球引力，还需要摆脱太阳强大引力影响。这意味着，强大的火箭是探测火星的先决条件。

轨道设计复杂。探测器前往火星只能选择一个叫做“霍曼转移”的方式，这种变换太空船轨道的方法，耗时普遍在6-11个月不等，远远长于地月之间的3天左右。线路会受到太阳系内多个天体的扰动，还有太阳风、空间辐射等的复杂影响。

对探测器要求严格。探测器的深空通信、自主导航制导控制和自我故障检测修复功能等必须独立且强大，而这又进一步推高了研发成本。

这仅仅是实现“绕”这一任务的难点，而要完成“落”的任务，还需要克服一系列更复杂的问题。比如火星大气，它可以产生高达2000摄氏度的温度；火星上经常出现沙尘暴，这也是导致美国“机遇号”火星车失联的直接原因。

着陆器不可能携带强有力、大功率的通信天线，也基本不可能直接与地球联系，这意味着它和地球之间还必须有一个“烽火台”进行“传话”，这就必须在环绕火星轨道准备一个轨道器转发信号来解决通信问题。

航天专家庞之浩说的“盲降”其实是一个自主导航的问题。标准的火星着陆过程持续时间仅7分钟左右，7分钟甚至不足以完成一次地火通讯，这意味着全程超过1000个动作的降落过程必须依靠探测器自主完成，对软件和硬件的要求极高。

定点着陆器还有一个显而易见的缺点：不能动。所以，能够移动的火星车毫无疑问能大大丰富火星着陆任务的探测范围和科研产出。但火星车实现自身着陆难度非常难、成本非常高。

• 我们已经做了哪些准备？

火箭：2015年，最强火箭长征五号已经实现突破，目前正整装待发；轨道设计：2012年，嫦娥二号探测器已经实现过飞越日地拉格朗日点、飞越图塔蒂斯小行星和进入深空7000万千米的壮举。

着陆技术：在有大气的情况下着陆，我们有神舟1-11号飞船；在无/稀薄大气的情况着陆，我们有嫦娥三号和嫦娥四号任务。深空通讯网已初步建成，还有万吨级远望号航天测量船辅助；2018年，我们还发射了人类唯一的地月通信中继卫星“鹊桥号”。

至于在火星车方面，我们已经有了玉兔号和玉兔二号月球车，其中玉兔二号已经工作近1年。“鹊桥号+嫦娥四号+玉兔二号”在月球实践过的工程经验代表着足够的工程可行性，将它们融合再投入探索火星的任务，虽然难度很大，如若顺利实现，我们将创造人类火星探测史的新高度。

• “萤火一号”又是怎么回事？
  

“萤火一号”探测器作为中俄航天合作项目之一，搭载在俄罗斯的“福布斯-土壤”(Фобос-грунт)探测器中，于2011年11月9日凌晨发射。后因福布斯-土壤号与运载火箭分离后变轨失败，于2012年1月15日17时45分坠于太平洋海域。

但究其根本，这一次火星探测失败的原因在于“福布斯-土壤”号火星探测器在升空后变轨失败，进而失去动力，地面与其联系中断，最终坠落。这期间“萤火一号”并未出现异常。

“萤火一号”未能按计划变轨，意味着我国的第一颗火星探测器面临失败的命运。

我们之所以与俄罗斯合作，主要原因在于在当时我国的深空测控能力不足，还没有形成完备的深空测控网。但“天问一号”的出现，或预示着我们将在深空探测能力上将迈出重要的一步。