执行中国初次火星探测使命（行星探测工程“天问一号”使命）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，本科结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，研究事情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。主要研究偏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。参与海表里多个空间科学探测项目，包括南极宇宙微波配景辐射望远镜，我国首颗空间天文卫星“暗物质粒子探测卫星”，在我国西藏阿里地域建设世界上海拔最高的天文望远镜，探求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“中国时机”，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。这是中国初次行星探测使命。“天问一号” 由轨道器、着陆器、巡视器三个部门组成，总质量约5吨。本次探测使命将一次性完成 “绕、落、巡” 三大使命，这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。

今天的巡天陈诉，我将带各人一起熟悉中国的火星探测之旅。

1

为什么要去火星

各种科幻影戏里，经常出现人类把火星看成移民太空的目的地，最近也有不少火星题材的科幻影戏找到我咨询相干的内容。火星之以是成为人类太空移民的首选地，起首是由于它是与地球相对间隔比力近的邻人之一，与地球同处于太阳系的“宜居带”中。

另外，许多学者认为火星曾经具备非常宜居的行星情况，也是太阳系内跟地球情况最相似的行星。火星现实上拥有支持生命所需的全部资源，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。

固然这统统的实现都依赖于人类未来能大范围登岸火星、须要物资运输往返于地球与火星，我们需要学会如何有用的利用太阳能，将火星当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都会，并终极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感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征象。

如何理解这一征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间隔“不算远”，也是到月球间隔的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。由于行星公转的非匀称性，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，而本年的7月中旬~8月中旬则是最佳的 “火星探测窗口月” 。本年10月14日将迎来 “火星冲日” 的天文学征象，也就是说到时火星、地球和太阳所处的轨道位置将能大抵形成一条直线，火星和地球的间隔也将相对最近（本年的间隔约莫是6700万公里）。

固然，如果比及“火星冲日”之时再从地球发射探测器，等你几个月飞已往，火星早已不在原地等你了。以是思量到我们与火星的间隔以及地球和火星的公转速率，最佳的发射时间是“火星冲日”之前两个月左右，此时火星恰利益于地球火线约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，顺遂的话NASA的“毅力号”也将紧随我国“天问一号”之后在七月尾前后发射。

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”，这是一种相对简朴、经济稳妥的经典地火轨道转移方式。如许火星探测器在途中只需要两次引擎推进（但是每次照旧要消耗不少燃料）就可以从地球轨道进入火星轨道，缩减燃料携带量。即便云云，天问一号一泰半的发射质量都会被变轨需要的燃料质量所占据，固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年回传第一张火星外貌照片开始，50多年时间里，人类已先后对火星开展了约莫50次火星探测，但是整体上的乐成率也就一半左右。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间隔迢遥，以及对火星情况的不可控性上。相比地月间隔，地球与火星的间隔最远时约为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多天才能到达迢遥的火星。这带来的首个挑战，就是在携带燃料有限的情况下，探测器如何可以或许飞越云云迢遥的间隔，而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举行精密的设计。

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） ，抓照相片 （早期的火星探测连抓拍都没能实现，第一次照旧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，举行较远间隔的遥感探测的环绕器；探测器现实降落到火星外貌，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”是我国初次自主执行火星探测使命，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”三大使命） ，获取富厚、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。纵然我们有了“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。接纳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，更体现了我们国度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外貌，举行设计寿命90天的探索事情。

“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“星箭分散”，先在地球四周加速，中途会举行须要的修正，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，以是这次发射使命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，这次使命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，在惯性飞行历程中不需要消耗燃料。比及达火星轨道时，探测器会择机举行“刹车”制动，降低飞行速率进入火星引力场范围，切入火星轨道，被火星捕捉。这又是一个精准的操控历程：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捉而掠偏激星。本次火星探测使命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，再颠末多次调解，环绕器就可以在使命轨道举行环绕探测了。这时我们将迎来本次火星探测使命的第二个阶段，也是最难的使命—— 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率，整个历程需要在7分钟内完成，也被行内称为“恐怖7分钟”。在7分钟内，让其速率在受控状态降落为零。我们知道火星大气密度却只有地球的1%，并倒霉于降速。实现在火星上的宁静着陆，是火星探测使命中技能难度最大、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乐成的要害，必须非常准确，不容任何闪失。我们对于火星上特殊的情况，尤其是大气状态的相识非常有限。再加上地火间隔迢遥，从地球发送到火星的单程无线电信号，单程延时凌驾20分钟，一来一回就是一个小时，火星探测实时相应无法实现，不可能依赖地球指挥着陆。

“天问一号” 使命计划接纳的减速方式将分为四个阶段举行。第一个阶段是气动减速段，探测器先从运行轨道自由着落，与大气层产生剧烈摩擦，即是踩下“急刹车”，在约莫290秒内将速率从4.8 km/s骤然降低到460 m/s。在履历大气层的严酷磨练后，紧接着探测器打开降落伞徐徐降落，在约莫90秒后，速率会降到进一步约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事情，在80秒内将速率降到3.6 m/s以下。当探测器间隔火星外貌约100 m高时，就进入了末了的着陆缓冲段，探测器准备开始悬停避障。此时探测器的速率已经很慢了，探测器会自主观察火星外貌，快速计算出最佳着陆点。终极它将水平移动到该点上方，伸出“四条腿”，并在稳定着陆后睁开舷梯释纵火星车。

另外火星地表沙尘暴非常暴烈，一旦产生全球性沙尘暴，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使命失败。现在只有美国软着陆火星乐成过，但失败也同样许多。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。统统顺遂的话“天问一号”着陆巡视器将选择合适时间软着陆在火星外貌的乌托邦平原，火星车从着陆器徐徐走下，开始巡视和科学探测使命。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”的定名来源于中国巨大的爱国主义诗人屈原长诗《天问》，表达了中华民族对真理寻求的坚韧与执着，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，寻求科技不停创新永无止境。2020年4月24日中国航天日上，中国行星探测使命被正式宣布定名为“天问系列”，初次火星探测使命被定名为“天问一号”，后续行星使命则依次编号 。

这里先容一下中国行星探测工程的整体观点，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，出现科学发明的富厚多彩。标识以开放的椭圆轨道整体倾斜向上，展示了奇特字母“C”的形象，代表了中国行星探测-China，体现着国际互助精神-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空想，为人类和平利用太空推动构建人类运气配合体孝敬更多中国智慧、中国方案、中国气力。前往未至，发明未知。

5

哪些科学问题值得存眷？

人们现在认为火星在几十亿年前曾是适合生命演化的情况，那么今天火星上到底有生命吗？如果今天没有，是否简直存在过生命？如果存在过，火星的生命起源跟地球有什么相似之处，是否有着配合的起源？那是否意味着生命在更遍及的宇宙情况中可能存在，或者至少有存在的条件？我们又应该去那里探求？这些问题都直指最基本的问题，我们是谁，我们从那里来，要往那边去。

“天问一号” 计划开展多项科学研究，好比火星的磁场探测与演化研究（有一种说法是由于火星丢失了磁场导致大气逃逸，以是火星外貌情况变的不相宜生命存在），地形地貌特性，火星大气层与电离层的探测与相干的情况科学等。火星的起源与演化研究又可以给我们提供除了地球以外的又一个行星样本，帮助我们研究太阳系起源的相干问题。这些研究也为未来大范围移民火星做准备，好比火星的外貌物质身分和资源利用的可能性（到火星采矿）。这是未来人类大范围移民的基础。

6

火星能否成为我们的第二故乡？

火星是太阳系中与地球情况最相似，且间隔第二近的行星，我们说到相识火星对研究地球早期汗青和生命起源有着紧张价值，也对人类拓展生存空间具有紧张意义。因此它也成为目前除地球以外人类研究水平最高的行星。如果“天问一号”探测使命乐成完成，也将为我们提供关于火星的大量全新信息。固然，火星虽然与地球十分相似，但是就目前已知的火星情况，还远不能满足人类基本的生存需求，好比火星的大气太稀薄、氧气含量太低、昼夜温差太大……

和地球相同，火星也有 “春夏秋冬”，有趣的是，地球和火星都认为曾被小行星撞击过，自转轴都歪了23度左右，可谓是偶合。火星地貌雄伟壮观，最高的‘奥林匹斯山’约两万多米，是珠穆朗玛峰高度的两倍多，最大的‘水手大峡谷’长达四千五百公里、宽六百公里，险些相当于从我国最北到最南的间隔。火星的直径相当于地球的一半，体积为地球的15%。如果在火星上跑跳或者提重物，只需要花地球上38%的力气，由于火星上的引力只有地球的1/3，在火星上人人都可以成为鼎力大举士，也很容易成为弹跳妙手。

水是生命存在的基础条件之一。现在的理论认为火星上曾经存在的水量，平均下来能到达100米深，火星的北半球险些都曾被海洋笼罩。这么大量的水现在都看不到了需要解释。可能部门逃逸到太空中，另外不知什么缘故原由，火星的水可能都转入到地下了。此前的各种探测在火星外貌似乎发明了液态水流过的陈迹，也有证据表明大量的水冰存在于极地的冰盖中。基于这些证据推测到火星上可能存在过生命，虽然70-80年代开始的多次直接火星探测都没有发明生命的迹象。

在以往的火星探测中可以发明，火星上有海岸线、冲积扇、鹅卵石等地质特性；在对火星岩石的探测中，科学家还发明了被水浸泡形成的特殊矿物等。这些都证实，这里曾出现过大范围的江河湖海，可以想见，曾经的火星可能也是一片泽被茂盛、生机蓬勃的天地。

2018年，科学家在火星南极冰盖下发明20公里宽的液态水体，更让科学界为之一振。为了绘制火星的地质结构图，“天问一号” 环绕器和火星车都配备了探地雷达。环绕器上的雷达可以“看透”几千米深的地层，火星车上的雷达虽然看不到这么深，但辨别率却能到达厘米级，期待能帮助我们相识火星地表以下的水冰漫衍。

那么火星上的水是怎么“丢失”的呢，火星的情况为什么会突然“恶化”呢？一个明显处于宜居带之内的、被人们寄予厚望、可能存在生命的星球，酿成了如今寸草不生的荒原呢？有理论认为，火星曾拥有和地球类似的磁场。然而随着火星内核中熔融的铁渐渐冷却，它的磁场也渐渐削弱甚至消散。失去了地磁场的火星被袒露于太阳风和辐射下，并导致其失去了地表水和大气。

火星的磁场究竟产生过怎样的变化？ “天问一号” 另一项激感人心的使命，是探测火星的磁场。“天问一号”环绕器与火星车将为我们提供更多的证据。除此之外，环绕器和火星车还将搭载矿物光谱仪、高能粒子分析仪、激光击穿光谱仪等多种仪器。这些装备将帮助远在地球的科学家研究火星岩石、土壤和大气的身分，更好地相识火星情况。研究领域涉及火星的地形地貌、岩石物质身分、土壤厚度身分、次表层地下水体漫衍、重点着陆区域详查、火星磁层、电离层、大气层的研究和睦候研究，磁场、重力场的探测等。除了卫星事情须要的功效外，“天问一号”共搭载有13台科学探测仪器。

7

多位 “探火” 选手陆续出发

北京时间7月20日凌晨，阿联酋希望号火星探测器搭乘三菱重工H-IIA火箭从日本种子岛航天中心发射升空。作为“火星2020”第一个出发的选手，乐成发射入轨开始了漫长的火星旅程。第二位选手，我国的天问一号今天发射，将成为全球第一个初次探索火星就一举完成火星着陆并开展”绕、落、巡“的国度，开展火星全球性和综合性探测，并对火星外貌重点地域精细巡视勘查。

第三位选手美国的NASA毅力号预计7月30日发射，它以探求生命相干标志物为探测重点目标，有几大使命：一在火星上火山口四周提取火星岩石样本，并妥善封存在43根样品管中（这些样本有望在2030年之前被厥后的火星探测使命带回地球）；二从火星富含二氧化碳的大气中制造氧气（实验性的技能验证），为人类未来登上火星探路；三开释“创造号”火星无人机，在火星举行受控飞行。焦点的目的照旧希望能回答“火星上究竟是否有过生命”这一最为要害的火星科学问题。

原来是有第四位选手的，由俄罗斯研制着陆器，欧洲空间局研制火星车组成，两者合体前往火星。这辆接纳太阳能发电的火星车，将钻入地下两米深处举行采样分析，大概这里还保留着太古期间形成的微生物证据。然而惋惜的是，本年3月12日，欧空局和俄罗斯宇航局突然宣布由于新冠疫情的影响，该使命推迟两年到下一个火星发射窗口发射。

8

商业航天何时开展火星探测

航天是一个体系工程，深空探测尤其体现了航天工程的体系性、庞大性。迢遥的间隔也给航天器的通讯、测控带来了极大困难。以是说火星探测是检验一个国度航天能力，尤其是深空探测能力的试金石，一度只有国度使命有可能开展火星探测。自从从美国的SpaceX开启私营航天新期间以来，已往只在科幻影戏与科幻小说中出现的太空旅游等情节，已不再那么遥不可及，SpaceX就在不久前刚刚把两位宇航员乐成送入国际空间站。随着民营企业在航天领域的迅速崛起，未来火箭发射成本的降低，地球与火星廉价航线的开通，照旧很值得期待的。中国商业航天自从2015年开始也迅速发展起来，信赖商业月球探测，小行星探测，火星探测已经离我们不远了。

于太阳系而言，八大行星之外，另有无数小行星和彗星等着我们去探索；于银河系而言，太阳也只是一颗中等质量、中等亮度、中等能量、中等寿命的平凡的不能再平凡的恒星；于可观测宇宙而言，像银河系如许的至少另有数千亿个……诚然，与宇宙137.7亿年的漫长汗青相比，人类文明仅数千年之久。火星不会比地球更优美，今天的火星远不适合人类生存。但人类必须要去探索，这是写入人类基因的渴望，也是这个物种的宿命。

9

中国开展火星探测有什么意义

许多人问我中国初次自主火星探测使命的意义。实在我不知道该怎么回答，科学意义，工程意义，里程碑意义，小至一批青年人险些全部青春的支付，大至中国的航天事业，一个国度，一个期间，实在能说的许多，今天太激动了，我以为也说欠好。天文学的研究实在很看淡时空坐标，究竟把宇宙137.7亿年的汗青压缩成一年，人类的现代文明真的就是”灭霸“的一个响指那么短暂。我小我私人以为你可以这么想，地球上最陈腐的文明们都曾经对天空中一颗最特别的火赤色的亮光发出过赞叹。一个东方的陈腐文明留下了一篇诗歌，这篇诗歌记载了狐疑着他的这个未知而神秘的世界的146个问题，几千年来源经沧桑的文明一直惦记着老祖宗的那些问题，在这片土地上的文明重新崛起的历程里，还没有忘记这个初心。2020年7月23号，一群航天人向着这颗赤色热土吹响冲锋号，对，就是今天，这片土地上的人民都应该仰望苍穹，我们向巨大的先人致敬，向巨大的期间致敬，向这个巨大的文明，致敬！

天问，问天。两千三百多年前，屈原问苍穹，留下来的是昔人洞悉千年时空的智慧。我想在这片中华大地上不知有几多人曾把酒问天。中华民族传承着千年空想。我不知道如何可以或许形容我心田的感慨万千，这是一个民族跨越山河与时空的声音。问天，就在今天。