智东西（公众号：zhidxcom）
编 | 信仪
智东西7月23日消息，刚刚，12时41分，我国搭载“天问一号”火星探测器的长征五号火箭成功发射，这是我国完全自主实现火星探测的第一步！
我国此次火星探测任务可谓是前无古人，将首次实现火星探测器发射“绕、落、寻”一步到位，这是美国、俄罗斯，包括前苏联都没有做到的。
▲搭载天问一号的长征五号火箭发射
火箭发射的威力之大，连摄像画面都受到了波及。
我国的火星探测器发射任务“天问”的名称取自屈原的长诗《天问》：
遂古之初，谁传道之？
上下未形，何由考之？
“请问远古开始之时，谁将此态流传导引？天地尚未成形之前，又从哪里得以产生？”寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。
中国自主的火星探测任务自2010年开始启动，2018年火星探测任务飞控团队成立，十年的坚守换来了中国火星探测任务第一步成功迈出。
▲长征五号火箭升空
下面来看“天问一号”到底牛在哪？中国的火星探测计划经历了怎样的过程，全球主要科技强国又为何选择今年密集发射火星探测器。
一、首次火星探测器发射“绕、落、寻”一步到位
这次发射任务由长征五号火箭，也就是我们说的“胖五”完成，因为火箭质量越大，其载荷能力越强。这次天问一号的总重量达到了5吨，火星轨道飞行器重量3175公斤，都需要“胖五”把它们送上太空。
▲长征五号火箭“胖五”
此次火星探测是我国行星探测阶段的首次任务，也是深空探测领域全新的里程碑。这次我国将“环绕、着陆、巡视”三个目标一气呵成，这一挑战前所未有。
天问一号探测器由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成，将一鼓作气完成绕、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。
▲火星探测任务示意图
天问一号在发射后，将由运载火箭送入地火转移轨道，飞行至7个月抵达火星，经历火星捕获、火星停泊后，着陆巡视器与环绕器分离，进入火星大气。
▲天问一号发射后进入地火转移轨道，着陆巡视器与环绕器分离
然后，在着陆巡视器成功着陆后，会将“体内”差不多一个小型高尔夫球车大小的的火星车吐露出来，火星车驶离着陆平台，搭载的科学载荷开机，展开像蝴蝶翅膀一样的4块太阳板，开始火星表面巡视探测，帮助调查火星的地层、结构以及冻土或冰的存在。
▲着陆巡视器成功着陆后，火星车驶离着陆平台
缓慢脱离着陆器后，太阳能火星车预计将在火星上运行至少 90 天，并使用轨道飞行器作为通讯中继机。轨道飞行器将继续运行大约一火星年（约 23 个月）。
▲中国2020年火星探测计划预定着陆区 图源：格致论道
此外，天问一号将使用我国独立的深空网，西安卫星测控中心喀什深空站、佳木斯深空站将为其提供全程测控支持。相比探月任务，对火星探测器最远将近4亿公里的探测距离，以及近7个月的地火转移时间，对测控通信系统而言将是前所未有的考验。
▲天问一号探测计划
二、火星车是什么样的？要完成什么目标？
我国第一台火星车的高度有1.85米，重量达到240公斤左右。火星车上搭载了6种有效载荷，包括地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪，为完成探测任务提供保证。
▲第一台火星车
同时，为了适应火星的地表环境，火星车还具备环境感知、障碍识别、局部路径规划、多轮运动协调控制等功能。
中国首次火星探测任务工程副总指挥、探月与航天工程中心主任刘继忠表示,火星车在火星上依靠太阳能来获得能源，它的设计寿命为3个火星月，相当于约92个地球日。期间，火星车将对火星的地质、环境、气象等进行探测，人们可直观地了解火星和地球环境的异同。
▲火星车上搭载的各种仪器
这次火星探测任务计划将完成6个科学目标，分别是：
1、火星全球和着陆器地形地貌、物质成分的探测与研究
2、火星全球和着陆器土壤厚度、成分及其分布
3、火星全球与着陆器次表层地下水体的分布
4、火星重点地区（着陆候选区）的详查
5、火星磁层、电离层、大气层及其气候特征
6、火星物理场（磁场、重力场以及内部结构）探测
相对于载人航天和月球探测任务，我国首次自主的火星探测具有航天器平台新、探测领域新、实施周期长、测控模式复杂、轨道控制要求高及应急处置难度大等特点。
针对全新的任务，北京飞控中心于2018年初就组件了火星探测任务飞控团队，今年以来，他们还针对长征五号B火箭首飞、首次火星探测、嫦娥5号和空间站等重大任务并行准备。
2020年4月24日，中国行星探测任务被命名为“天问系列”，首次火星探测任务被命名为“天问一号”，后续行星任务依次编号。
三、各国为何钟情于“扎堆”探索火星？
我们也知道最近各国都在“扎堆”进行火星探测，这是为什么呢？
原因在于以现在的航天水平来看，火星距离地球的距离实在是太远了，探测火星要比探测月球在实际操作上难得多。
要知道人类经常光顾的月球的距地距离为38万公里，而火星地球之间最近的时候距离也远达5500万公里，最远的时候更是要达到4亿公里。因此火星探测是一个非常讲究时机的活动。
平均每15~17年会有一次火星大冲，届时太阳、地球、月球、火星会规律排列在一条直线上，火星和地球的距离会进一步缩短。
▲模拟火星冲日图像
而最近的一次火星大冲的时间是2018年7月27日，已经过了，而下一次的火星大冲要等到2035年9月16日，这一日期又太远。
所以退而求其次，火星冲日每隔26个月就会出现一次，而对于地球来说，发射火星探测器的最佳窗口期在火星冲日前两个月，最近的窗口期也就在今年的7月中旬到8月中旬，在这段时间，从地球出发的航天器才能沿着最节省燃料的轨道到达火星。
此前，在这一窗口期已经公布了四大火星探测器的发射计划，分别是中国天问一号、美国毅力号、阿联酋希望号（由日本H-2A火箭发射），以及欧盟及俄罗斯的罗莎琳德·富兰克林。
但由于种种原因，欧盟及俄罗斯的ExoMars 2020已经于三月中旬决定推迟到2022年发射，从2020的火星探测器发射小组“退群”了，不得不说，这已经是ExoMars计划第六次推迟了。
此前，中国还曾想在2009年搭载俄罗斯的联盟号运载火箭发射火星探测器，但由于战斗民族的火箭一次次出问题，中国也转而决定自主完成火星探测的全套流程。
这个小组中首先出发的是“土豪国”阿联酋的希望号（阿拉伯语al-Amal），它在今年的7月20日的凌晨5点58分成功发射。预计探测器的到达时间会在2021年的2月。
▲阿联酋的希望号火星探测器
为了保证研发的进度和发射速度，阿联酋选择了具有强大航天实力的美国和日本作为合作伙伴，通过日本三菱重工研制的H-IIA火箭将自己的火星探测器运往太空。
希望号探测器由阿联酋和美国科罗拉多大学波德分校联合研制，重1.35吨，大小与一辆轿车相仿。由两个太阳能发电板供电，总功率1.8千瓦，这和家用电水壶的功率差不多。
探测器搭载有直径1.5米的高增益天线以及若干低增益天线。此外，探测器利用恒星跟踪定位仪来进行导航。
此外阿联酋还选择了美国深空网（DSN）对火星探测任务的希望号航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网。
▲希望号运行过程展示
在运转火箭方面，日本的H-IIA火箭直径4米，高度53米，属于捆绑式两级火箭。它的运载能力与我国的长征三号乙火箭相当。
希望号上携带了三种先进的科学仪器，分别是EMIRS:阿联酋红外光谱仪、EXI：阿联酋勘探成像仪以及EMUS：阿联酋紫外线光谱仪。这些仪器的搭载主要是为了研究火星大气做准备。
而如果中国此次任务的所有流程都可以圆满完成，中国将成为世界上首个对火星集环绕、着陆、巡视探测的国家。
天问一号发射成功后，接下来集环绕、着陆、采样返回的天问二号也将提上日程。天问二号个除了轨道器和着陆器以及巡视器以外，还有上升器和返回舱，发射任务计划2028至2030年执行。
四、人类探索火星的漫漫长路
从儿时的《火星奇遇记》，到“非主流”时期流行的“火星文”，再到电影《火星救援》，这个神秘的铁锈红色星球——火星，一直寄托着无数人的太空梦想。
“硅谷钢铁侠”马斯克是火星的“狂热粉丝”，这位科学怪人一直在为人类移民火星做努力，此前在马斯克SpaceX载人航天器“龙飞船”成功发射后，他即刻发表推特称：通往火星的大门已经开启。
人类对火星历史的追溯可以到公元前，但对火星的探测是最近60年的事情。60年间，人类共进行了47次火星探测，成功率仅有43%，而在火星上成功着陆的探测器也只有8个，因此由于火星没收了很多人类的探测器，这个红色星球也被人们形象地称为“航天器坟场”。
▲迄今为止人类向火星发射的探测器
但就算是这样，人们还是依旧前赴后继地将探测器运往火星，毕竟这个可能作为未来“人类移民最佳选择”的神秘星球，火星的魅力实在是太大了。
人类火星探测起步于60年代美苏的“太空竞赛”，美苏两个大国在探测火星的旅途中完成了很多“第一次”。
▲火星 图源：NASA
1960年10月10日，前苏联向火星发射了第一枚探测器。1964年美国发射的水手4号，是有史以来第一枚成功到达火星并发回数据的探测器。
在1971年，苏联发射火星3号成为了首颗在火星着陆的探测器，尽管它只工作了20秒，但是也成为了人类探测器在火星着陆的一个重要里程碑。
1975年8月20日美国发射的海盗1号，成为了全球首个能成功登陆火星的卫星。
在20年后，1996年，美国的火星环球侦测者号发射成功，这枚探测器持续工作了10年，直到2006年才失去讯号联络，它是最成功的火星探测任务之一。它利用所携带的一些专业仪器，进行海拔高度测量，科学家绘制了火星的地形图。
▲火星3D地图
进入00年代，欧盟和中国也加入了火星探测的行列中，而美国在这一时期迎来火星探测“大爆发”，在火星探测事业上遥遥领先。
2003年，美国将勇气号和机遇好两辆火星车送往太空，对火星进行实地考察。勇气号在执行任务期间，曾首次找到火星上曾有水存在的证据，并从火星上拍摄到了地球的照片。而机遇号截至2018年1月25日，已在火星漫游14年多，取得了很大的成绩，并于2019年2月13日任务结束。
2007年美国凤凰号探测器首先证实了火星上的确存在水，还找到了火星上存在碳酸钙和粘土的线索。同年，欧洲航天局的“罗塞塔”彗星探测器靠近火星飞行，顺利完成利用火星引力调整飞行速度和轨道的任务。
2007年 6月中俄正式签署合作协议，中国火星探测计划中的第一颗火星探测器萤火一号计划于2009年搭载俄罗斯的联盟号运载火箭发射，但是俄国老大哥的火箭一再出问题，中国也转而研发自己的火星探测系统。
在10年代，印度成为了火星探测黑马，中国也在重启火星探测计划。而在今天，中国终于完成了首次自主进行火星探测的第一步。
结语：火星探测的目标是星辰大海
火星作为距地球最近的类地行星之一，是人类最想登陆的行星，也是目前人类最有可能移居的星球。探索火星的过程，不仅仅是航天科技和深空探测水平的科技方面的巨大提升，更对人类文明的进程及探索宇宙与生命的意义有着非同寻常的影响。
天问一号任务将为中国打开火星之门，无论成败与否，都将是人类进军火星的一次重大飞跃，祝愿这次火星探测器发射任务一切顺利，圆满成功！
