火星，我们来了！

一、 为什么要探测火星？

茫茫宇宙，火星是太阳系中与地球最为相似的行星，这颗红色的星球，是一颗承载人类最多梦想的星球。

火星的自然条件比地球恶劣得多，但已经是太阳系中与地球相似度最高的星球了，两者都形成于约45亿年前，行星结构也都有核、幔、壳。有着相似的自转周期，一个火星日大约是24小时39分钟。有着相似的自转倾角，意味着它与地球一样有四季的变化。

火星真实色彩映像，罗塞塔号摄于2007年

而且远古火星有大量液态水，很可能存在过生命，现在火星地下应该还有大量含水层，甚至有人认为现在火星上依然有生命。所以它是研究行星演化、地外生命等科学问题的重要目标，也是人类殖民宇宙的首要目标。

二、 火星有生命吗？

火星上到底有没有生命？有科学家认为火星生命的出现是大概率事件，但不会有智慧生物。

从地球生命的起源可以推测火星是否有生命。一般认为地球的生命起源于大约39亿年前的海底火山，在这里来自火山的各种无机物逐渐反应产生了各种复杂的有机物，最终形成了生命。35亿年前的一群古微生物聚集在一起生长、死亡后，残留下来的矿物质胶结而成的叠层石，是目前可以直接观察到的最早的生命起源痕迹。

米勒实验就是最好的证据：在玻璃容器中加入水、二氧化碳、氨气、二氧化硫等气体，一边加热水，一边给这些气体通电，最终冷凝管中发现了氨基酸。现在更多的实验证明在地球历史环境中无机物可以合成多种多样的小分子有机物，其中包括各种氨基酸、糖类、脂类，以及核苷酸——核苷酸是构成遗传物质的基础。这些实验支持了生命的化学进化论——生命是由无机物通过化学反应形成的。

在化学进化论的理论下，

米勒实验示意图

地球生命形成的条件就是：液态水、海底火山活动、时间。而这些条件火星完全具备。

火星与地球几乎同时形成，远古火星存在大量地表水。远古火星上的火山也曾极其活跃。从地球经验看，从45亿年前到35亿年前，10亿年间生命就演化出来了;要是考虑39亿年前的晚期重轰炸事件，那么地球在短短4亿年间，就演化出了生命。火星地表水活动从41亿年前到35亿年前有6亿年，地下水则持续到25亿年前有16亿年的时间，完全足够生命从无到有地演化出来。

所以从硬件条件来说火星上有生命是大概率事件。现在问题就是我们的探测器什么时候能够发现它们。

三、 探测火星难吗？

1. 历史成功率低

为了更好地研究火星，各国纷纷向火星发射探测器。数据显示，从1960年以来，人类火星探测成功率只有50%，对比金星探测77%和月球探测76%的成功率就可以知道火星探测有多难了。即使败多成少，但人类依然对火星兴趣不减。

火星公转周期为678个地球日，大约每隔26个月就有一次火星冲日，这时地球与火星的距离缩短到不足1亿千米，而在火星发生大冲时，这个距离为5500万千米。距离近消耗燃料少，因此火星探测活动也会每隔26个月出现一次高潮。2020年7月下旬至8月上旬是本轮的火星发射窗口，7月20日，阿联酋的火星探测器“希望”号成功发射，7月30日，美国也有一个火星探测器发射升空。

2. 火箭发射要求高

地火转移轨道示意图

为了将“天问一号”送入地火转移轨道，“胖五”需要托举火星探测器加速超过每秒11.2公里的第二宇宙速度。这也被称为“逃逸速度”，航天器只有超过这个速度，才能完全摆脱地球引力，飞向太阳系内的其他行星。这次是我国航天器首次超越第二宇宙速度，“胖五”飞出了中国运载火箭的新速度。

因为地球和火星的相对位置在不断变化，发射时间不同轨道也不同，为了在“奔火”过程中节约燃料，科研人员为连续14天每天30分钟的窗口期，每隔10分钟就设计了一条不同的发射轨道，将轨道偏差控制在极小范围内。任务中，通过软件还可以实现发射轨道的自动切换选择。长征五号火箭总指挥王珏说，一次发射设计如此多的发射轨道，这在中国航天史上绝无仅有。

3. 延时长无法远程操作

由于火星距地球这么遥远，两地最远时通信信号光速传输单程就需要22分钟，这样的通信延迟导致“天问一号”在大多数情况下无法实时远程操作，多数情况需要“天问一号”自行判断和处理。

4. 深空探测难点多

“天问一号”的三个任务目标是火星环绕、火星车着陆和巡视探测，每一步目标都充满了不确定性。

目标一：火星环绕

从地球到达火星环绕轨道的难度相当于从东京打一个高尔夫球正好落到巴黎的球洞中。探测器飞到火星需要6到11个月的时间（“天问一号”预计7个月），其间会受到多个天体的引力扰动，还会受到太阳风、空间辐射的干扰。“天问一号”会通过内置陀螺仪、天文导航、多普勒导航等多种系统确认自身位置和姿态，同时与地面超算平台计算的轨道进行对比和调整。

而且火星引力范围比地球小得多，高速飞行的“天问一号”明年2月到达火星轨道后还需要及时刹车，准确进入环绕火星的轨道。这些步骤中有任何一步错过，任务就会失败，探测器将会迷失在宇宙中。

目标二：火星着陆

中国火星探测器在火星表面示意图

经过2到3个月的火星环绕，“天问一号”将对火星上的着陆区有更细致的了解，按照计划轨道器和着陆平台将在明年4月分离，轨道器继续在环绕轨道进行空中探测，火星车和着陆平台将降落在火星乌托邦平原。

火星着陆器需要在隔热罩、降落伞、反冲发动机的通力合作下在8分钟内将速度从4.8km/h降到0。整个降落过程有超过一千个动作，全部需要“天问一号”自主完成。在距地面100米處，着陆平台将短暂悬停对着陆地点障碍物做最后规避动作。如果计划成功，中国将成为继美国之后第二个实现漫游车在火星软着陆的国家。

目标三：火星巡视

着陆平台成功降落后，这辆尚未命名的火星车将离开平台，在火星上展开科学探测。

它将对火星进行包括空间环境、气候、表层环境和地下浅表层结构等多项研究。240公斤重的火星车上搭载了六种科学仪器，包括摄像头、探地雷达（GPR）、磁场探测器、大气环境测试仪和光谱仪等。比如大气环境测试仪可以获取火星温度、风力等信息。磁场探测器有望获得有关火星过去磁场的有价值的信息。探地雷达将有助于辨别出火星表面以下的某些地质结构。

这些设备将帮助我们解答“火星上有生命吗？”“人类可能移居火星吗？”这些我们关心的问题。可以说“天问一号”在火星上走出的每一小步都是中国行星探索走出的一大步！

从宏大的空间尺度来说地球只是宇宙中一颗渺小沙粒，而“天问一号”更是微不足道。从长远的时间尺度来说，我们终将走出地球，驶向星辰大海，“天问一号”只是其中的一个小节点。但是我们依然希望人们记得，开启了中国行星探测历史的“天问一号”。因为“天问”寄托着中华民族数千年前就开启的问天梦想，承载了中国对科学真理追求的坚韧与执着。