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天问一号|发射成功，天问一号八大闯关之旅正式开启！


出品：科普中国
制作：太空精酿
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2020年7月23日12时41分 ， 我国首个独立火星探测任务天问一号搭乘长征五号遥四火箭 ， 从文昌航天发射场成功升空 ， 下一站火星！
天问一号|发射成功，天问一号八大闯关之旅正式开启！
本文插图

两千年前 ， 屈原在长诗《天问》中发出了“九天之际 ， 安放安属？”和“日月安属 ， 列星安陈？”的旷世之问 。 两千年后 ， 中国航天人要用实际行动给出解答：行星探测计划“天问”启动 ， 而执行第一站任务的就是去往火星的天问一号 。
火星是地球的邻居 ， 二者同为岩质行星 ， 演化与构造类似 。 火星上有水、稀薄空气、与地球类似的元素、小分子有机物和太阳系最壮观的山川峡谷等 ， 是地球演化历史和未来的重要参照 ， 更是人类梦想成为“跨行星生存物种”的完美下一站 。
天问一号|发射成功，天问一号八大闯关之旅正式开启！
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为征服这个荧荧如火的星球 ， 中国航天人进行了数年的努力 。 如今 ， 天问一号的闯关之旅才刚刚开始 。
第一关：必须抓住的发射窗口
跟火星比起来 ， 地球距离太阳更近 ， 环绕太阳一周需要约365天 ， 火星则需要约687天 。 这种“不同步”导致地球和火星之间距离在时刻变化 ， 从5500万千米到4亿千米不等 。 从地球视角来看 ， 二者每约780天才会合一次：在780天内地球绕太阳运行了2周49度角 ， 恰好超过了火星1周 ， 二者距离达到一次最近 。
天问一号|发射成功，天问一号八大闯关之旅正式开启！
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人类航天虽然经历了数十年发展 ， 但运载火箭依然以利用化学能为核心 ， 远达不到科幻电影中无视星际旅行距离“横冲直撞”的设定 。 因而 ， 火星探测器的发射时间要求很苛刻 ， 必须在每次地球和火星会合之前几个月、火星相对于太阳的位置领先于地球特定角度的时候出发 ， 瞄准6-11个月之后火星的位置 ， 开启火星探测之旅 。
天问一号|发射成功，天问一号八大闯关之旅正式开启！
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由于每次地球和火星会合机会带来的理想探测窗口仅在1个月左右 ， 探测任务如果赶不上出发 ， 就要等待26个月后的下一次机会 。 这对于存在设计寿命、且有着巨大保管维护成本的探测器而言 ， 是很难接受的 。 例如 ，NASA局长曾说毅力号火星车错过2020年7-8月发射窗口的代价至少是5亿美元的损失 。
第一关 ， 天问一号已经完美通过！
第二关：强力的运载火箭
在人类航天探索中 ， 航天器的速度是最重要的核心 。
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想实现火星探测 ， 意味着探测器不仅要突破第二宇宙速度 ， 完全摆脱地球引力 ， 还要在此基础上进一步加速 ， 在抵达火星前尽力摆脱太阳引力的巨大影响 ， 而太阳的质量是地球质量的30余万倍 。 这对探测火星的运载火箭要求极高 ， 基本都是各国最为强力的火箭系列 。 即便如此 ， 探测器占火箭总体质量的比例都在1%以下 ， 绝大部分质量都用于装载推进剂 ， 这是人类航天梦想的巨大代价 。
对于总重5吨左右的天问一号而言 ， 带它前往火星的就是长征系列中最强的长征5号火箭 。
天问一号|发射成功，天问一号八大闯关之旅正式开启！
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第二关 ， “胖五”托起天问一号飞向火星的梦想已经实现！
第三关：霍曼转移轨道
1925年 ， 德国航天工程师瓦尔特·霍曼博士出版了图书《Die Erreichbarkeit der Himmelsk?rper》 ， 在书中提出了著名的霍曼转移轨道 。 他或许没有想到 ， 这个理论成为后来人类几乎所有火星探测任务的基础 。


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