火星探测|揭秘天问一号的火星之旅天问|火星大气|火

天问一号探测器。中国空间技术研究院供图
7个月，这是一趟漫长又艰难的旅程。
人类对火星的探测起步于20世纪60年代，目前已实施40余次探测任务，但只成功20余次，成功率约50% 。
荧惑，这是中国古人对这颗红色星球的称呼。 “荧”代指火星由于土壤富含氧化铁而发出的红光；“惑”则出于古人对火星运行缺乏规律而感到的困惑，由于轨道和公转速度的差别，从地面上来看，火星运行时快时慢时明时暗，有时逆行也有时顺行，令人捉摸不定。
是的，正如这个名字一样，去往火星的漫漫长途也充满不确定性。在接下来的7个月里，天问一号需要迎难而上。
“发射成功只是第一步，后面的路还很漫长。 ”国家航天局探月与航天工程中心深空探测工程总体部部长耿言说。
火星探测难在哪儿
1962年，人类迈出火星探测的第一步。这一年，苏联发射“火星1A号”探测器，但在飞往火星的途中与地面失去联系，最终失败。此后，苏联的“火星1号”与美国的“水手3号”等火星探测器探测任务也宣告失败。
直到三年后，美国的“水手4号”首次完成火星飞越，成为首例成功探测火星的人造卫星。此后，包括“水手6号”在内的多颗探测器顺利完成任务。尤其是1971年发射的苏联“火星3号”探测器，成功登陆火星。 20世纪90年代以后，火星探测更加频繁， “火星快车”“勇气号”“机遇号”“好奇号”等多颗探测器飞向火星。然而，火星探测的成功率到目前只有50%左右。
火星探测到底难在哪儿？
首先是距离远。火星距离地球最远时有4亿公里，最近时大约5500万公里。作为对比，月球离地球最近时36万公里，最远时40万公里。也就是说，即使火星离我们最近时，也要比月球远一百多倍。人类探测器从地球飞到火星，大约需要7个月的时间。
由于距离遥远，地球与火星之间的信号传输会有长时间的时延。 “当火星离我们最远时，从地球发一个指令，要20多分钟才能到达火星。即使在距离最近时也要几分钟才能到，远比从地球上发指令到月球上的时间长得多。 ”国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰解释，时延比较长，给火星探测的测控通信带来很大挑战。探测器在火星着陆时间仅7分钟左右，由于时延，无法实时操控，探测器必须自主完成着陆。
其次是发射窗口小，机会少。刘彤杰说，要让航天器飞4亿公里， “人类现在还没有能力做到，而且也没有必要” ，我们可以等火星距离地球较近的时候发射探测器。但受天体运行规律的影响，这样的发射机会很少，大约每隔26个月才有一次，每次有一个月左右的发射窗口， “比探测月球的窗口要小得多，严苛得多” 。
再次是着陆难度大。火星上存在稀薄的大气，探测器着陆时必须穿过大气，这个过程会产生几千摄氏度的高温。着陆时既需要隔热罩，也需要配备降落伞进一步减速。而且，随着探测器往下降，其推力、方向会发生变化。 “不像在月球上探测，不用降落伞，用反推发动机就可以，在火星上着陆需要用变推力发动机。 ”刘彤杰说，减速下降和着陆火星的过程，被称为“黑色7分钟” 。
此外，前往火星还需要推力更强的运载火箭。天问一号任务是我国长征五号系列运载火箭首次应用性发射，将探测器直接送入地火转移轨道。 “以前我们探月，最远是到地月轨道，处于地球的引力圈。现在要到火星，不仅有地球，还有太阳和火星的引力影响，因此这次火箭系统有很大的变化。 ”首次火星探测任务工程副总指挥、国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠解释。
一次实现“绕、着、巡” ，难上加难
火星探测很难，要一次实现“环绕、着陆、巡视探测”（以下简称“绕、着、巡”），难上加难。
很多人对我国探月工程“绕”“落”“回”三步走战略很熟悉，这些目标是通过实施多次探月任务而分步骤实现的。面对难度更高的火星探测，我们却要多步并作一步走。
据国家航天局介绍，我国首次火星探测任务天问一号探测器由着陆巡视器（进入舱和火星车）和环绕器组成。此次任务要一次实现“绕、着、巡”三步走，即对整个火星进行全球观测、成功着陆火星，以及火星车进行巡视探测。目前，国际上只有美国实现了火星环绕、着陆、巡视探测，但不是一次实现，而是分几次任务实现的。
据介绍，天问一号飞行过程包括发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等六个阶段。探测器发射后，将被火箭送入地火转移轨道。器箭分离后，探测器的太阳翼和定向天线将相继展开，在测控系统支持下朝火星飞去，约7个月抵达火星。
在这个漫长的旅途中，探测器将进行深空机动和中途修正，即不断调整飞行方向。 “因为发射的时候方向可能对得不是非常准，飞行的过程中会调整方向，更准确地飞向火星，然后和火星交汇，由火星的重力来捕获它。 ”刘彤杰解释。

火星探测|揭秘天问一号的火星之旅

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