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火星探测|“天问一号”发射升空，多国火星车为何近期集中发射？

火星探测|“天问一号”发射升空，多国火星车为何近期集中发射？
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今天的发射成功
意味着中国的火星探测之旅至此刚刚迈出第一步
火星探测|“天问一号”发射升空，多国火星车为何近期集中发射？
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2020年7月23日12时41分 ， 海南省文昌市长征五号遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器 ， 在中国文昌航天发射场点火升空 。 图／中国新闻图片网
本刊采访人员/李想俣
 
7月23日12时41分 ， 中国首次火星探测任务天问一号探测器 ， 在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场 ， 由长征五号遥四运载火箭发射升空 。 火箭飞行约2167秒后 ， 并成功将探测器送入预定轨道 ， 开启火星探测之旅 。
按预定计划 ， “天问一号”将在漫漫太空中飞行约7个月的时间 ， 于2021年2月11日抵达火星 ， 2月21日变轨进入停泊轨道 ， 4月择机登陆 。
“天问一号”将首次完成人类历史上一次性实现火星环绕、着陆、巡视探测三大目标的深空探索任务 。 也就是说 ， 今天的发射成功 ， 意味着中国的火星探测之旅至此刚刚迈出第一步 。
着陆火星是技术难点
 
“天问一号”借助文昌发射场低纬度带来的较大初速度 ， 经过长征五号的多级加速 ， 迅速超过第二宇宙速度 ， 彻底摆脱地球引力的束缚 ， 直接进入地火转移轨道 。 在地火转移轨道上 ， “天问一号”只需通过几次点火修正轨道 。 与此同时 ， 地面上的多个测控站会一直跟踪探测器的位置和速度信息 ， 确保探测器处于正轨 。 这一飞行过程约7个月 。
飞临火星附近后 ， “天问一号”将在地面测控系统的支持下 ， 通过“刹车”减速 ， 被火星引力捕获 ， 进入环火椭圆轨道 ， 进行环绕火星飞行 。 抵达火星两三个月后 ， 天问一号环绕器将分离释放着陆巡视组合体 。 此后环绕器继续绕行火星 ， 着陆巡视组合体将进入火星大气层 ， 择机进行着陆 。
着陆是火星探测任务中困难的部分 。 着陆期间 ， 由于距离过于遥远 ， 地球和火星的双向通讯延时将长达几十分钟 ， 而着陆过程只有七八分钟 。 地面工作不可能人工控制复杂的火星着陆过程 ， 因此探测器只能依靠自身完成着陆 。 安全软着陆后 ， 火星车将与着陆平台分离 ， 独自开展区域巡视探测和相关工程实践活动 。 环绕器将为火星车提供中继通信链路 ， 并开展环绕科学探测 。 火星车计划开展约90个火星日（每个火星日约为24小时40分钟）的巡视探测工作 。
火星是太阳系中与地球环境最为相似的行星 ， 因此天问一号的探测任务对研究地球早期历史和生命起源有着重要价值 ， 此外 ， 开展关于火星的深空探索 ， 对人类拓展生存空间也具有重要意义 。
据国家航天局 ， 首次火星探测任务的科学目标 ， 主要是实现对火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等研究 。
中国科学院院士欧阳自远曾介绍 ， 天问一号的轨道器和火星车搭载了矿物光谱仪、高能粒子分析仪、激光击穿光谱仪等13台仪器 。 这些仪器分别承担着火星地形地貌、岩石分布、气候变化和地下土壤分布、土壤成分和地下水分布的探测 。 此外 ， 天问一号火星车上还搭载了一台气象站 ， 负责探测记录火星的气候变化 。
为探索绘制火星的地质结构图 ， 环绕器和火星车均配备了探地雷达；环绕器上的雷达可以透视几千米深的地层 ， 而火星车上的雷达则可以帮助科学家了解火星地表以下的水冰分布 。
 
多国为何集中发射？
 
此前 ， 阿联酋“希望”号火星探测器已于7月20日发射升空 。 美国航天局“毅力”号火星车也已经进入发射“倒计时” ， 预计将于7月30日发射 。
与火星相比 ， 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 。 公转周期的差别导致地球和火星之间距离时刻处于变化中 ， 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 ， 此时两颗行星距离达到最近 。
因此 ， 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进行发射 。 在此期间 ， 地球和火星处于适合展开太空任务的理想位置 ， 从地球上发射火星探测器可以缩短抵达火星耗时 ， 节省燃料 ， 从而降低火星探测成本 。
今年7月到8月正是火星探测发射窗口期 ， 从7月23日开始 ， 地球和火星的距离将缩短到1亿千米以内 ， 多国均选择在此期间发射火星探测器 。
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 ， 如果探测器无法在窗口期内成功发射 ， 就要等到约26个月后的下一窗口期 。 长时间的等待 ， 将让设计寿命有限、且保管维护成本巨大的探测器付出很大代价 。 美国宇航局局长吉姆·布里登斯汀曾表示 ， 如果“毅力”号火星车错过今年7-8月的发射窗口期 ， 将付出至少5亿美元的损失 。


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