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今日中国首个火星探测器天问一号出征火星！

发表于话题：火星的中国时刻

发布时间：2021-05-15

2020年7月23日，海南文昌航天发射中心，天问一号(Tianwen 1)火星探测器将由长征五号火箭（俗称胖五）以第二宇宙速度（11.2km/s）发射进入地火转移轨道（Trans-Mars Injection, TMI），开启它的漫漫奔火旅程！

不出意外的话，天问一号火星探测器将于2021年2月抵达火星轨道附近，开始环绕火星的飞行，成为它的又一颗人造卫星。随后，它将释放着陆器和巡视器（也就是火星车）降落在火星大地上，首次留下中国的足迹！

天问一号飞行效果图（艺术图）图源：国家航天局

天问一号着陆器和巡视器在火星表面（艺术图）图源：国家航天局

此外，7月底到8月初期间，美国也将发射毅力号(Perseverance)火星车，而阿联酋已经于7月20号发射希望号(Hope)火星探测器。本来欧洲空间局和俄罗斯航天局合作的ExoMars探测器也要这会儿前往火星，可惜由于某些原因，只能推迟到2022年发射了（可能还要再咕咕咕）。

为何中/美/阿三家要在此时扎堆发射火星探测器，别的时间不可以吗？

奔向火星图源：NASA

何时发射火星探测器主要与火星距离地球的远近有关，距离近的时候到达火星所需的时间比较短、所耗费的燃料也比较少，是最佳选择。

火星（Mars）是距离太阳第四近的行星，也是距离地球最近的行星之一（有时金星/Venus更近）。

太阳系主要天体位置排列图（距离未按比例）图源：NASA

火星距离地球最近时大约5000多万公里，是地球到月球距离的140倍，而最远时则有4亿公里，是地月距离的1000倍！那是不是我们在火星距离地球最近的时候发射比较好呢？这个时候火星距离地球最近，直线飞过去可以抄个近道？

2018火星大接近图源：有趣天文奇观

在宇宙面前耍小聪明可不行的，如果我们的飞船能够以光速飞行，倒是直线飞行3分钟左右可以到火星。然而在实际航行中，人类还没有任何一个推进系统可以强大到让飞船沿着火星与地球的最短距离行驶。探测器往往走的是著名的霍曼转移轨道，也就是沿着一条椭圆形的轨道，借助地球的公转速度将飞船“甩”到火星，轨道的一端与地球轨道相切，另一端与火星轨道相切。

霍曼转移轨道（右：动图）图源：航天爱好者

通过上图可以看到，探测器从地球出发时，火星和地球并不处在距离最短的时候，火星在地球轨道外侧的前方绕太阳飞行。当探测器到达火星的时候，地球已经跑到火星的前方了。由于地球和火星都在绕太阳公转运行，所以探测器从地球前往出发有一个间隔大约26个月的窗口期(launch window)，只有在窗口期的1个月左右发射才比较合适。2020年的火星发射窗口就是从7月15号到8月15号。如果错过这个窗口期，就要等下一个窗口期了，我们刚才提到的ExoMars就是没赶上这次的窗口期，只能等到2022年再发射了。

火星距离我们那么远，去一趟得花半年左右时间，为什么还痴迷火星探索呢？

火星是我们站在地球上仰望星空时肉眼可见的五颗行星之一，发着独特的红色。在古代，中国人将它称为荧惑，因为它荧荧如火，飘忽不定，而在西方它是Mars，也就是希腊神话故事中的战神。火星在古代中国人和西方人心中都不是什么比较好的形象，相反，夜空中最亮的星——金星，由于金灿灿的，古代中国人叫他太白金星，是天界的神仙，古代西方人认为她是爱与美之神Venus（维纳斯）。

火星和月全食麦穗老师 2018.07.27 摄于陕西

400多年前伽利略首次将望远镜指向星空，人类得以细致地观察金星和火星。现代观测表明金星的大小和地球非常接近，看起来很可能是第二个地球。100多年前，天文学家通过望远镜发现了火星上的“沟渠”，但普通大众更愿意相信那是火星人开凿的运河，1938年广播里的火星人入侵地球就令全美各地的听众惊慌失措。

好莱坞1953年版《火星人入侵地球》

前苏联在上个世纪就向金星发射了多颗探测器，但发现金星和地球竟然貌合神离，那里是十足的人间炼狱——表面遍布火山熔岩，昼夜温度均在500度左右。

类似行星大小对比图源/NASA

之后人类将目光转向仅有地球一半大小的火星，这里的一天也是24小时左右，也有和地球类似的四季变化，空气虽然稀薄但也使得昼夜温差不太大。怎么看，火星都像是地球2.0。

火星和地球大小对比图源：星球研究所

地球人对火星充满向往，然而前往火星的旅途却极其凶险。

60年来人类派出了几十个探测器前往火星，开展了各种类型的探测，然而成功者仅有一半左右，着陆火星表面这种方式的探测更是仅美国一家成功。

通过下图可以看到，全球的火星探测玩家非常少，并且大多出师未捷身先死。为什么火星探测如此之难呢？

60年火星探测史麦穗老师摄于北京天文馆

即使等到26个月一轮的火星窗口，也有可能像前苏联的火星1A号（1960年10月10日）、火星1B号（1960年10月14日）、美国的水手3号（1964年11月5日）一样，连地球轨道都没能到达，直接发射失败。

即使从地球成功发射，也有可能像前苏联发射的火星1号探测器（1962年11月1日），中途跑路，在飞离地球1亿公里时与地面失去联系，从此下落不明。

所幸，美国在水手3号发射失败后不久又发射的水手4号（1964年11月28日）获得成功。1965年7月14日在火星表面9800千米上空掠过火星，向地球发回了21张照片。这是有史以来第一枚成功到达火星并发回数据的探测器。

之后美国又于1969年向火星发射了水手6号和水手7号。这两枚探测器携带有更先进的仪器和通讯设备，它们成功掠过火星，对火星大气成分进行分析，并发回了大量照片。

水手4号图源：NASA

水手4号拍摄的有史以来第一张火星特写照片

飞掠（flyby）探测只是火星探测的“初级阶段”，对变轨技术的要求相对较低，只是和火星匆匆打个照面就各奔东西了。人类希望可以像给地球发射人造卫星一样也给火星发射一颗人造卫星，环绕着火星做持续的探测(也就是环绕器，orbiter)，最好是可以释放探测器到火星表面进行深入的探测。

1971年11月13日美国的水手9号到达火星，这是有史以来第一枚成功进入环绕火星轨道的探测器，首次拍摄到火星全貌，取得了空前的成功。

水手9号图源/NASA

水手9号在火星轨道上的示意图图源/NASA

这张照片是由水手9号的窄角相机在44.5万英里的距离拍摄的。几个月来，“沙尘暴”使得地面观测人员无法观测到通常很明显的火星表面特征。

火星图源：NASA

水手9号拍摄的奥林匹斯山的中央火山口图源/NASA

另一位选手就没有这么好的运气了，前苏联于1971年发射了火星2号和3号，和水手9号不同的是它们包括环绕火星的轨道器和降落火星的着陆器。火星2号于1971年11月27日在火星着陆，因为遇到火星沙尘暴一着陆就与地面失去联系，但它仍然是第一个到达火星表面的人造物体。轨道器则运行到1972年8月22日并传回了大量的数据。火星3号在1971年12月2日成功登陆火星，成为了有史以来第一个成功在火星表面着陆的探测器。但由于遭遇同一场火星沙尘暴，在火星上仅仅工作了大约20秒，甚至没能发回一张完整的照片就失去了联系。

之后前苏联又接连发射了火星4号、5号、6号、7号，几乎都失败了。想要降落火星表面，与火星亲密接触可真是不容易啊！

终于，1975年8月和9月，美国相继发射“海盗1号”和“海盗2号”探测器。约一年之后，两艘探测器的着陆器(lander)相继在火星表面成功着陆，开启了火星着陆探测的新阶段！海盗号探测器也包括环绕火星的轨道器，下面2张超级清晰的火星全景图就是它拍的，45年前！！！

大约1000张海盗号照片拼接而成（红紫滤镜）火星全景图

102张海盗号照片拼接而成火星全景图

海盗号在火星表面拍摄的第一张照片

随着美苏太空竞赛的偃旗息鼓，在两艘“海盗号”飞船之后，火星探测进入了暂时的沉寂。直到上世纪90年代，美国才又重新掀起了探测火星的热潮。

仅仅在火星表面降落一台不能移动的着陆器肯定不能达到人类对火星深入探索的目标，如果这台着陆器可以携带在火星上跑起来的巡视器（即火星车,rover），帮我们在火星上探探路，那就可以大大提升我们研究的广度与深度。也许火星车在火星上行驶的时候会碰到火星人也不一定呢，能碰到个火星上的化石也很好啊！

1996年，美国发射的“火星探路者”号探测器携带了叫做“旅居者”号火星车进行了人类历史上第一次在火星表面和地球系统以外的巡视探测。它的走行距离虽然只有100米左右，但意义却可比肩人类在月球上留下的第一个脚印。

火星探路者号拍摄的火星表面全景图图源：NASA

旅居者号火星车图源：NASA

旅居者号火星车作为第一台成功降落的火星车，仅有微波炉大小。之后人类于2003年发射了比它大多了的勇气号和机遇号火星车，2011年又发射了和小汽车大小差不多并且使用核动力驱动的好奇号火星车。2020年美国即将发射毅力号火星车，中国发射的天问一号也携带了火星车，不出意外的话明年2月火星表面将有6台火星车！（不过好几台已经不能跑了）

在火星上的几台火星车大小比较图源：NASA（@太空精酿修）

勇气号拍摄的火星全景图图源：NASA

机遇号发现的赤铁矿结晶图源：NASA

好奇号在火星表面的自拍照图源：NASA

历史上共有15次任务进入火星大气，仅有8次成功着陆并顺利开展探测任务，即美国发射的海盗1号和海盗2号（1975年）、火星探路者号（1996年）、勇气号和机遇号（2003年）、凤凰号（2007年）、好奇号（2011年）、洞察号（2018年），其它国家均失败。

想要成功接触火星表面，除了经历半年多漫漫长路中多次的精确轨道修正，才能成功进入火星轨道，而进入火星大气层时还得经历恐怖的七分钟，要从时速2万公里降到0且全程需要自主完成。着陆火星表面时为了保证探测器能够软着陆而不是硬着陆（可能摔碎），通常采取气囊或者反冲火箭的办法。

探路者号使用气囊的地面测试图源：NASA

好奇号火星车降落火星过程自主完成了超过1000个动作图源：NASA

除了火星车，人类还发射了很多非常成功的环绕火星运行的轨道器和着陆火星表面的着陆器，比如2001年美国发射的”2001火星奥德赛号”轨道器、2003年欧洲发射“火星快车号”轨道器、2011年印度发射的曼加里安号轨道器、2007年美国发射的凤凰号着陆器、2018年发射的洞察号着陆器。

凤凰号在火星上的假想图图源：NASA

洞察号提供的火星天气预报

60年的火星探索，前期失败率极高，随着技术的积累，探测器表现越来越好，可以说战功卓著。今年美国发射的火星探测器还将首次携带无人机，开启全新的探索方式。中国的天问一号虽然是首次探测火星，但将挑战单次任务中同时完成环绕（轨道器）+着陆（着陆器）+巡视（火星车），期待创造人类探测火星史的新高度！也许在不久的将来，人类就将在火星表面滑沙冲浪，甚至在火星表面种土豆！