“GO TO MARS TOGTHER！”剛剛，中國(guó)火星探測(cè)任務(wù) “天問(wèn)一號(hào)”成功發(fā)射，開(kāi)啟了我國(guó)對(duì)火星的首次探測(cè)之旅，中國(guó)的深空探索又向前邁進(jìn)了一步。
北京時(shí)間 2020 年 7 月 23 日 12 時(shí) 41 分，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭托舉著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù) “天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器，在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空。
火箭飛行約 2167 秒后，成功將探測(cè)器送入預(yù)定軌道，開(kāi)啟了火星探測(cè)之旅。
“天問(wèn)一號(hào)”是我國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù)，是中國(guó)航天走向深空的里程碑工程。與其他任何國(guó)家首次火星探測(cè)任務(wù)不同，“天問(wèn)一號(hào)”要實(shí)現(xiàn) “繞”“落”“巡”的三連任務(wù)，當(dāng)屬全球首次。
火星探測(cè)器在升空后，根據(jù)測(cè)算，最優(yōu)轉(zhuǎn)移軌道需要 203 天，也就是 6 個(gè)月零 19 天，即在 2021 年 2 月 11 日被火星引力捕獲。
按照探測(cè)器速度，取最優(yōu)減速軌道以及繞火星探測(cè)事件，預(yù)計(jì)在 2021 年 4 月 23 日開(kāi)始實(shí)施火星著陸。
在到達(dá)火星之后，火星車(chē)的設(shè)計(jì)壽命是 90 個(gè)火星日，火星的一天比地球的一天略長(zhǎng)一點(diǎn)，大概是 24 小時(shí) 37 分鐘，90 個(gè)火星日也就是地球上三個(gè)多月的時(shí)間。
如果 “天問(wèn)一號(hào)”能夠成功登陸火星，這將使得中國(guó)躋身太空精英強(qiáng)國(guó)之列，成為太空探索的引領(lǐng)者。
然而，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。
火星，這顆孤獨(dú)的星球，等著我們的擁抱。
成敗關(guān)鍵：“恐怖 7 分鐘”
縱觀人類(lèi)的航天史，人們似乎一直對(duì)火星、月球 “情有獨(dú)鐘”。全球已經(jīng)有了 40 多次火星探測(cè)活動(dòng)，但成功和部分成功的任務(wù)僅有 22 次，成功率大約 40%。因此，火星有著 “航天器墳場(chǎng)”之說(shuō)。
但是火星對(duì)人類(lèi)的誘惑太大了。
▲圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
2010 年 8 月，8 位院士聯(lián)名向國(guó)家建議，開(kāi)展月球以遠(yuǎn)深空探測(cè)的綜合論證。為此，國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局立即組織專(zhuān)家開(kāi)展了發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施方案論證。
中國(guó)國(guó)家航天局探月與航天工程中心深空探測(cè)總體部部長(zhǎng)耿言曾撰文寫(xiě)道，首次自主火星探測(cè)是深空探測(cè)的起點(diǎn)和重點(diǎn)，實(shí)施方案經(jīng)過(guò)三輪迭代和深化，在 2016 年 1 月正式立項(xiàng)實(shí)施。
2016 年 8 月，火星探測(cè)任務(wù)名稱(chēng)和圖形標(biāo)識(shí)全球征集活動(dòng)啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)投票，“天問(wèn)”排名第一，得票 31.7 萬(wàn)余張。
2020 年 “中國(guó)航天日”啟動(dòng)儀式上，備受關(guān)注的中國(guó)首次自主火星探測(cè)任命被正式宣布命名為 “天問(wèn)一號(hào)”。
▲圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
根據(jù)計(jì)劃，我國(guó)首次自主的火星探測(cè)任務(wù)非常重，任務(wù)由軌道器、著陸器、巡視器三個(gè)部分組成，目標(biāo)是通過(guò)一次發(fā)射任務(wù)，完成繞、落、巡這前三個(gè)步驟。
“這將是世界上首次自主探索火星即完成軟著陸的任務(wù)?！敝袊?guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員季江徽曾接受《科技周刊》采訪時(shí)表示。
中國(guó)航天科技集團(tuán)五院深空探測(cè)和空間科學(xué)首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士葉培建曾向媒體表示，中國(guó)如果想要實(shí)現(xiàn)超越，需要利用現(xiàn)有的技術(shù)實(shí)現(xiàn) “兩步并成一步走”。
但是，“一石二鳥(niǎo)”背后是更高的挑戰(zhàn)和更大的風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)際鮮有先例。
首先，是將火星探測(cè)器送上太空的火箭。
這次 “天問(wèn)一號(hào)”搭載的是長(zhǎng)征五號(hào)火箭，是我國(guó)最大運(yùn)力的運(yùn)載火箭，廣大網(wǎng)友愛(ài)稱(chēng)其為大火箭 “胖五”。2016 年長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭首飛成功，截止目前，總共發(fā)射了三次，失敗一次。
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相比于月球，火星距離地球更加遙遠(yuǎn)，而且火星和地球兩者的距離會(huì)不斷的變化：地球和火星位于太陽(yáng)兩側(cè)時(shí)最遠(yuǎn)距離大約 4 億公里，而位于太陽(yáng)同側(cè)最近時(shí)有 5460 萬(wàn)公里遠(yuǎn)（是月球的 150 倍遠(yuǎn)）。
“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器奔赴火星，并不是走直線，而是通過(guò)火箭的運(yùn)力將探測(cè)器送入橢圓形軌道，在這個(gè)過(guò)程中將一直處于高速飛行狀態(tài)，需要 “長(zhǎng)途奔襲”10 個(gè)月，2021 年才能到達(dá)火星。
其次，到達(dá)火星之后，探測(cè)器將迎來(lái)決定成敗的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
“火星探測(cè)最大的難點(diǎn)在于’恐怖 7 分鐘’，在進(jìn)入、下降與著陸過(guò)程中，要在 7 分鐘內(nèi)將探測(cè)器的時(shí)速?gòu)?2 萬(wàn)千米降低到零。這需要融合多種減速手段才能實(shí)現(xiàn)，包括氣動(dòng)外形、降落傘和反推等，也需要自主導(dǎo)航控制技術(shù)來(lái)保證。”中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張偉曾對(duì)《科技日?qǐng)?bào)》表示。
據(jù)了解，在著陸前，探測(cè)器需要先將速度降下來(lái)，從 4.8 公里 / 秒減速到 460 米 / 秒，相當(dāng)于先來(lái)一個(gè)急剎車(chē)。
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接著，探測(cè)器打開(kāi)降落傘，用 90 秒的時(shí)間將速度再降到 95 米 / 秒。
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最后，進(jìn)入 “著陸緩沖段”，這會(huì)兒探測(cè)器需要懸停避障，對(duì)火星表面進(jìn)行觀察，看一下地面有沒(méi)有坑、大的石頭，保證落地安全性。
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“目前國(guó)際上主要有兩種減速方式。我國(guó)根據(jù)探月工程中的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，將通過(guò) 4 個(gè)階段逐步減速，最終使探測(cè)器平穩(wěn)到達(dá)火星表面?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、航天科技集團(tuán)科技委主任包為民曾向媒體透露，第一階段為氣動(dòng)減速，第二階段開(kāi)降落傘，第三階段動(dòng)力減速開(kāi)反推，第四階段懸停避障；著陸器在火星表面軟著陸成功后將釋放火星車(chē)。
登陸火星是最具挑戰(zhàn)之一，由于火星擁有大氣層，要防止著陸器在下降過(guò)程中變得過(guò)熱；而且僅憑落傘無(wú)法使著陸器減速，還需要減速火箭。在此前 18 次火星著陸任務(wù)中，僅有 10 次取得了成功。
在成功著陸之后，探測(cè)車(chē)將進(jìn)行 “拍照留念”、探測(cè)物質(zhì)和元素、探測(cè)環(huán)境和偵測(cè)火星淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及探測(cè)火星氣象等。
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▲火星探測(cè)器在火星表面示意圖（來(lái)自《科學(xué)》雜志報(bào)道）
火星車(chē)上，豎立在前端的桅桿頂端的方形設(shè)備就像機(jī)器人的腦袋，上面有實(shí)時(shí)探測(cè)的全景相機(jī)，可以幫助火星車(chē)避開(kāi)障礙。另外，火星車(chē)上還有 4 個(gè)大的太陽(yáng)能電池板，以及探測(cè)雷達(dá)、磁場(chǎng)探測(cè)儀和氣象測(cè)量?jī)x，可以對(duì)火星進(jìn)行全方位的探測(cè)車(chē)。
依照計(jì)劃，火星探測(cè)器壽命只有短短 90 個(gè)火星日，火星日比地球一天略長(zhǎng)，為 24 小時(shí) 40 分鐘，也就是三個(gè)月的時(shí)間。
至此，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器即可完成其使命。
人類(lèi) “第二家園”
正如上文所說(shuō)，登陸火星是如此艱難，但依然未能阻止人類(lèi)探索的腳步。為何？
作為太陽(yáng)系的行星之一，火星與地球在環(huán)境等方面的相似性，使得人們對(duì)火星探索一直抱有濃厚興趣。
專(zhuān)家表示，火星不僅有大氣，也有適宜的溫度，和地球也有著相似的自轉(zhuǎn)周期。研究火星可以給人類(lèi)帶來(lái)很多啟示，極具價(jià)值的基礎(chǔ)研究。
國(guó)外媒體曾經(jīng)發(fā)表文章稱(chēng)，科學(xué)家在火星南極冰蓋下發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水存在的證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)更是激起了人們對(duì)火星的探索熱情。
“火星是太陽(yáng)系內(nèi)與地球特點(diǎn)最為接近的行星，是人類(lèi)未來(lái)移民的首選地?！睆垈ソ邮苊襟w采訪時(shí)表示。
這意味著，火星將是人類(lèi)的 “第二家園”。科學(xué)家甚至都已經(jīng)提出了火星改造方案。
此次，除了中國(guó)的 “天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器之外，美國(guó)的 “毅力號(hào)”火星車(chē)和阿聯(lián)酋的 “希望”號(hào)火星探測(cè)器，也定在了 7 月份發(fā)射，而原定于今年探測(cè)火星的歐洲與俄羅斯合作已宣布推遲到 2022 年。
為何各國(guó)都選擇了此時(shí)發(fā)射？
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據(jù)了解，每隔兩年，全球都會(huì)迎來(lái)一次火星探測(cè)高潮，原因在于地球與火星位置的關(guān)系，每 26 個(gè)月火星會(huì)有一次距離地球最近的機(jī)會(huì)，距離只有 5500 萬(wàn)公里，這也是發(fā)射火星探測(cè)器的最佳時(shí)間窗口。
此時(shí)實(shí)施火星探測(cè)，探測(cè)器飛行的路線最短，最省燃料。如果錯(cuò)過(guò)此次發(fā)射，就要再等 26 個(gè)月，下次發(fā)射窗口要等到 2022 年 9 月。
移民火星還要多久？
既然火星是人類(lèi)孜孜不倦追求的 “第二家園”，何時(shí)人類(lèi)才能夠移民火星呢？
商業(yè)火箭公司 SpaceX 的創(chuàng)始人馬斯克曾經(jīng)提出個(gè)火星移民計(jì)劃：希望在火星建立社區(qū)，他還喊出如果把一個(gè)人的移居成本控制在 20 萬(wàn)美元左右，預(yù)計(jì)地球上最少會(huì)有 2 萬(wàn)人愿意移民外星球。
▲圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
“北斗女神”徐穎在做客網(wǎng)易科技攜手吉利 ICON 汽車(chē)打造的《開(kāi)杠吧》節(jié)目時(shí)曾表示，火星是我們的鄰居，火星也是我們離太空最近的一個(gè)夢(mèng)想。但是，如果人類(lèi)真的想移民到火星上來(lái)生活的話，還有很多事情要做。比如解決物理層的問(wèn)題，解決火星環(huán)境問(wèn)題，包括火星大氣問(wèn)題。
“其實(shí)已經(jīng)有科學(xué)家提出了火星移民的整體改造方案。大概多少年可以對(duì)火星改造完畢，移民火星，我覺(jué)得這個(gè)單位要用千年為單位計(jì)量。”徐穎認(rèn)為。
雨果獎(jiǎng)獲得者、科幻作家郝景芳也在《開(kāi)杠吧》節(jié)目中表示，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，人類(lèi)即使移民火星，也一定是在封閉環(huán)境下有限資源條件下的生存。
這就意味著火星生活不可能是非常自由的，一定是將所有人束縛在一個(gè)有限的空間里。這樣才能保證可呼吸和空氣，可分配的食物，能源和最高效的物資調(diào)配方式。
▲圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò) 火星生活想象圖
“所以，這樣營(yíng)造出來(lái)的生存空間和社會(huì)，和我們地球上極大豐富的世界資源非常不一樣，也會(huì)非常經(jīng)濟(jì)有效的方式去運(yùn)行，火星上的社會(huì)幾乎肯定是科學(xué)家工程師和高級(jí)知識(shí)分子創(chuàng)造出來(lái)的社會(huì)，也一定是一個(gè)非常信息化的社會(huì)。”郝景芳認(rèn)為。
如果有生之年，可以移民火星，你的選擇會(huì)是什么？
參考
科技日?qǐng)?bào)《天問(wèn)一號(hào)：在探火路上來(lái)一次 “后發(fā)先至”》
新華報(bào)業(yè)網(wǎng)《首次火星探測(cè)任務(wù)將進(jìn)行 “天問(wèn)一號(hào)”，一次實(shí)現(xiàn) “繞落巡”》
科技日?qǐng)?bào)《成功率不到一半 為什么人類(lèi)在如履薄冰中 “探索火”》
中國(guó)青年報(bào)《“天問(wèn)一號(hào)”將向火星進(jìn)發(fā) 中國(guó)行星探測(cè)為何首探火星》
果殼《為了去火星，你知道天問(wèn)一號(hào)有多努力嗎？》
央視新聞客戶端《中國(guó)首輛火星車(chē)來(lái)了》
中國(guó)航天科技集團(tuán)公眾號(hào)
網(wǎng)易科技《逆向思維》第十期
小火箭公號(hào)《人類(lèi)探索火星發(fā)射時(shí)機(jī)與抵達(dá)時(shí)刻計(jì)算圖表》
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