火星竞赛正式开启！史无前例，“天问一号”将一次性完成三大任务

图片来源：CGTN　　2020年是两年一次的火星年，而7月中旬~8月中旬则是今年的火星季，这数周的时间是绝佳的“火星探测器窗口”。在今年10月14日，将步入“火星冲日”的天文学现象，到时，火星、地球和太阳所处的轨道方位将能构成一条直线，火星和地球的距离也将最近，因此合适高效已完成火星观测任务。　　之所以说道火星年两年一时逢，是因为地球的公转周期是365天，火星的公转周期是687天，二者进发周期是779.9天。由于行星马克斯·沃夫的非均匀分布性，可以说道地球和火星正处于在最近点的时间间隔为780天，就是大约26个月，而一旦错失升空窗口就必须再行等两年。

　　当然，如果等到“火星冲日”之时升空探测器就为时已晚，考虑到我们与火星的距离以及地球和火星的马克斯·沃夫速度，最佳的升空时间是“火星冲日”之前两个月左右。现在，阿联酋“期望号”火星探测器早已升空，而在未来数周内中国的“火星1号”和NASA的毅力号也将紧随其后。

　　为了更加高效且节省燃料，探测器升空后将不会转入霍曼移往轨道，这种最简单的变轨方式限于于中心天体完全相同的两个圆轨道之间的轨道移往。火星探测器在途中只必须两次引擎前进就可以从地球轨道转入火星轨道，削减燃料装载量。

　图片来源：CGTN　　阿联酋“期望号”　　北京时间7月20日凌晨5点58分，阿联酋首个火星探测器“期望”号乘坐日本的H-IIA运载火箭，从日本种子岛航天中心升空升空。“期望号”将经过大约200天的飞行中，于2021年2月到达火星轨道，并通过探寻成像仪、红外光谱仪以及紫外光谱仪对火星气候及天气展开观测研究。这是阿联酋的首次火星观测任务，也标志着新一轮火星观测周期的打开。

　　中国“天问1号”　　7月17日上午，长征五号遥四运载火箭在中国海南文昌航天发射场已完成技术区总装测试工作后，横向运输至发射区，计划于7月下旬到8月上旬择机实行中国首次火星观测任务（行星观测工程“天问一号”任务）。　　这也是我国首次继续执行火星观测任务，该任务于2016年1月批准后立项，任务目标是通过一次升空，构建火星环绕着、降落和视察观测，提供火星观测科学数据，将迈进我国行星观测的第一步。根据计划，探测器将于2021年2月11~24日环绕着火星运营，并于2021年4月23日迫降一台火星车到火星表面，展开时长90天的探寻工作。

　　NASA“毅力号”　　目前，NASA预计即将在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空“毅力号”，其将于2021年2月18日（美东时间，ET）落在火星耶泽洛陨石坑（Jezero crater）。目前，NASA还没得出明确升空时间，根据升空时间表，“毅力号”会早7月30日（ET）升空，升空窗口期从美东时间7月30日至8月15日（ET）。

　　欧空局“ExoMars”计划（已延期至2022年）　　该计划包括两个部分，一是2016年早已升空的痕量气体轨道器（Trace GasOrbiter），二是原本预计在2020年升空的火星车和火星表面平台。但由于各方因素，欧空局宣告火星观测任务推迟。

新的预计升空时间为2022年9月。　　艰苦的任务　　就在今年的“火星探测器窗口期”，中国计划展开首次火星观测任务“天问一号”。　　一般来说来说，火星观测有三种方式：在轨道上绕火星飞行中展开较远距离观测的环绕着器，迫降到火星表面，原地展开观测和实验的着陆器，以及能在火星上运动的视察器（火星车）。　“天问一号”着陆器及视察器（图片来源：CNSA）　　在“天问一号”中，我国计划在首次升空中重复使用构建“绕行”、“堕”、“巡”三大任务，这在世界航天史上还没过先例。

即使我们有了一定的探月经验作为基础，但也面对着相当大的挑战。　　可玩性主要不存在于在地火距离很远以及对火星环境的不理解上。比起地月距离，地球与火星的距离十分很远，更远时约为4亿千米，最近时也有大约5600万千米。

以我国这次即将升空的火星探测器为事例，必须飞行中200多天才能抵达很远的火星。这带给的首个挑战，就是在装载燃料受限的情况下，探测器如何需要飞到如此很远的距离，这就必须研究者对探测器飞行轨道展开仪器的设计。

　　根据计划，火星探测器不会按照“霍曼移往轨道”飞行中。在“天问一号”火星探测器升空升空后，不会再行在地球附近加快，转入霍曼移往轨道利用惯性维持飞行中，惯性飞行中过程中不必须消耗燃料。等抵达火星轨道时，探测器不会“刹车”减少速度，最后被火星捕捉。

这就是本次火星观测任务第一阶段的目标：环绕着火星飞行中。　　若想顺利转入霍曼移往轨道，对火箭的装载能力和升空精度有很高的拒绝。

月球探测器转入地月移往轨道所需的速度是10.9km/s，而火星探测器转入霍曼移往轨道的速度最少要超过第二宇宙速度（11.2km/s）。因此，这次升空任务用于了新一代运载火箭中发动机仅次于的“胖五”——长征五号运载火箭。在顺利转入太空后，整流罩中的火星探测器不会与火箭“星箭分离出来”，独自一人飞向火星，这段旅程大约必须6~7个月。

如果一切顺利，探测器预计于明年2月左右抵达火星引力势场内，紧贴火星轨道，被火星捕捉。这个捕捉的阶段十分关键：在紧贴火星轨道时，如果切入点离火星过于将近，探测器可能会失事；如果太远，探测器有可能无法被引力捕捉而横过火星。

　7月17日，长征五号遥四运载火箭已完成横向运输至发射区，计划于7月下旬到8月上旬择机实行升空任务。（图片来源：国家航天局新闻宣传中心）　　若能顺利紧贴火星轨道，再行经过多次调整，环绕着器就可以展开环绕着观测了。这时我们将步入本次火星观测任务的第二个阶段，也是仅次于的难题——火星降落。火星探测器必须将4.8km/s的超高速，减半到火星着陆的0，这个过程只有7分钟左右，也被称作“可怕7分钟”。

着陆器何时开始滑行转入火星大气、转入的姿态、转入的角度都必须精准的掌控，然而问题在于，我们对于火星上的环境，特别是在是大气状况的理解十分受限。再行再加地火距离很远，从地球发送到火星的单程无线电信号，单程延时为20分钟左右，无法依赖地球指挥官降落。

　　“天问一号”任务计划使用的滑行方式将分成四个阶段展开。第一个阶段是气动滑行段，探测器不会移开“急刹车”，在约290秒内将速度从4.8 km/s很快减少到460 m/s。

接下来探测器将关上降落伞，在约90秒后，速度不会降至大约95 m/s。随后转入第三个阶段——动力滑行段，探测器的反推发动机开始工作，在80秒内将速度降至3.6 m/s以下。当探测器距离火星表面大约100 m低时，就转入了最后的降落缓冲器段，探测器打算开始滑翔避障。

此时探测器的速度早已极快了，探测器不会自律仔细观察火星表面，较慢计算出来出有最佳着陆点。最后它将水平移动到该点上方，张开“四条腿”，并在平稳降落后进行舷梯获释火星车。

　　全新的找到　　火星是太阳系中与地球环境尤为相近的行星，理解火星对研究地球早期历史和生命起源具有最重要价值，也对人类扩展生存空间具备最重要意义。如果“天问一号”观测任务顺利已完成，将为我们获取关于火星的大量全新信息。

　　例如，为了绘制火星的地质结构图，环绕着器和火星车都配有了探地雷约。环绕着器上的雷达可以“道出”几千米浅的地层，而火星车上的雷达虽然看到这么浅，但分辨率却能超过厘米级。

这也许能协助我们理解火星地表以下的水冰产于。　　而“天问一号”另一项激动人心的任务，是观测火星的磁场。目前有理论指出，火星曾享有和地球类似于的磁场。

然而随着火星内核中熔融的铁渐渐加热，它的磁场也渐渐弱化甚至消失。丧失了地磁场的火星被曝露于太阳风和电磁辐射下，并造成其丧失了地表水和大气。火星的磁场到底再次发生过怎样的变化？“天问一号”环绕着器与火星车将为我们获取更好的证据。

　　除此之外，环绕着器和火星车还将配备矿物光谱仪、高能粒子分析仪、激光穿透光谱仪等多种仪器。这些设备将协助远在地球的科学家研究火星岩石、土壤和大气的成分，更佳地理解火星环境。　　“天问一号”火星车的设计寿命为90个火星日（一火星日大约为24小时40分钟）。

这将沦为中国航天者向太空提问的第一步，也是中国航天南北深空的里程碑。

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