共赴一场“逐火”盛宴

火星，是太阳系由内往外数的第四颗行星，也被科学家们认为是唯一可能会适合人类移民移居的星球。从天文学的角度看，在很早之前火星是处在宜居带中的，这也就说明火星曾经出现过生命。

7月23日13时25分，我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场，用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探测任务“天问一号”探测器，成功将探测器送入预定轨道，开启火星探测之旅，迈出了我国行星探测第一步。除了我国，世界上还有不少国家也已启动火星探测任务，美国、阿联酋将计划于近期发射火星探测器。

探“火”迎来窗口期

作为地球的邻居，火星并不算是“近邻”。地球赤道周长约为4万千米，光速仅需约0.13秒便可环游。但地球与火星的距离在5600万～4亿千米之间，这意味着就连光速单程可能都需要3～22分钟。因此，探测火星需要选择它与地球距离较近的时机。由于地球和火星都围着太阳公转，怎样才能有最近的距离呢？

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩形象地比喻道：“这就像田径赛跑，地球在里圈，绕太阳转一圈约是365天，而火星在外圈，绕太阳转一圈约是687天。地球绕太阳转的速度快，火星绕太阳转的速度慢。如果太阳在中间，火星和地球在两边的时候，它们的最远距离能达到4亿千米以上，因此最好是在地球和火星距离比较近的时候发射，这样就能让人类“探火”之旅的“赶路”时间更短、所携燃料更少、成本更加低廉。

地球、火星和太阳排成一条线的时候是最近的距离，约为5600万千米。 然而，即便是这最短的飞行距离，探测器仍要经历一场“长途旅行”。

中科院空间应用工程与技术中心研究员张伟介绍，以我国此次发射的火星探测器为例，需要飞行200余天才能到达火星。

探测器“赶路”期间，地球和火星始终相对运动着。因此，探测器飞行轨道设计里头藏着大学问。

“火星探测器往往沿着地火之间的霍曼转移轨道飞行。” 中科院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室研究员刘勇说。

7月23日，长征五号遥四运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空，实施我国首次火星探测任务（天问一号任务）（新华社 才扬 摄）

霍曼转移轨道由德国物理学家瓦尔特·霍曼提出，是一种变换航天器轨道方法的统称，途中只需两次引擎推进，相对节省燃料。

刘勇指出，火星探测器发射升空后，先在地球附近加速，进入椭圆形的霍曼转移轨道惯性飞行，不需耗费自身所携燃料；等到达火星附近“刹车”减速，最终被火星捕获。这就要求探测器发射时，火星和地球的相对位置必须提前计算好，使得探测器的霍曼转移轨道能与火星公转轨道在某一时刻相切。两轨道的切点就是探测器将被火星轨道捕获的空间位置，这一特定时刻就是探测器真正投入火星“怀抱”的时刻。

结合地球、火星的公转周期，以及轨道设计的相关内容，科学家通过详细周密的计算得出，在地球上每隔约26个月是发射火星探测器的最好时机，窗口期由此而来。

如果错过今年7到8月这次窗口期，下次火星探测的好时机只能等到2022年。

对中国航天的一项全新挑战

目前我国的火星探测计划还需克服哪些困难？

中科院院士、中国航天科技集团科技委主任包为民说：“我们用长征五号火箭，也就是新一代运载火箭里面最大个的进行发射。我们的火星探测器发射升空以后，在明年2月份将到达火星的引力磁场以内，然后经过火星的捕获到达火星。”

据介绍，探测火星，需要突破深空超远距离测控通信、火星制动捕获、在轨长期自主管理、稀薄大气减速与安全着陆等一系列核心关键技术。那时，地球与火星距离约5600万千米，与地面测控站的往返“对话”会有较长延时，而且传递的“声音”将会非常微弱。因此，要实现如此远距离的有效通信，需要克服巨大的信号衰减、传输延时和外界干扰等因素，对中国航天而言是一项全新的挑战。

此外，火星探测器在到达环绕火星的轨道之后，将降落在火星表面。这个过程为七八分钟，这也是整个任务的难点所在。我国的火星探测器由环绕器和着陆巡视器两部分组成，着陆巡视器将在火星表面软着陆并释放火星车，在火星表面进行巡视勘测。由于火星探测器在奔火的途中一直处于高速飞行状态，所以在着陆之前需要先将速度降下来。我国根据探月工程中的技术经验作为积累，将通过4个阶段逐步减速，最终使探测器平稳到达火星表面。包为民表示：“从4.8千米/秒的速度减到火星着陆的地方进行悬停，这个过程要7到8分钟，在这个时间段里有4个减速段，第一个是气动减速段，就是把速度从4.8千米/秒减到460米/秒，用时290秒左右。”

这就好像先进行了一下急刹车，接下来探测器将打开降落伞，用90秒左右的时间将速度由460米/秒降到95米/秒，随后进入动力减速段，探测器的反推发动机点火开始工作，用80秒时间将速度减小到3.6米/秒。包为民说：“剩下的100米我们还有一个悬停、避障。这时速度已经很慢了，100米的时候进行悬停。100米已经比较低了，可以看一下地面有没有坑、大的石头，如果有我们就避开它，保证落地的安全性，不会翻车。”

去火星探究生命的起源

火星路远行艰，究竟是什么吸引着各国的科学家们，使多国耗费如此大的人力物力发射探测器？

蓝箭航天火箭研发中心总经理戴政认为，寻找火星是否存在或者曾经存在生命的证据、解答生命起源的问题和生命是否在宇宙中，是一种广泛存在的问题。同时，研究火星大气和地质等科学问题，对地球的环境变迁变化也有借鉴意义。

中国航天系统科学与工程研究院研究员陈杰则认为，火星探测是航天强国的重要标志，我国首次自主的火星探测任务成功实施可进一步缩短与美国、俄罗斯等在深空探测技术方面的差距，积累更多深空探测领域的经验，推动我国在行星探测、空间科学、空间技术等方面的发展，使我国跻身全球深空探测领先者行列。

陈杰介绍说，从探测目标上看，我国的“天问一号”要实现“绕、落、巡”三个目标，环绕火星探测、着陆火星并进行巡视探测；美国的探测器主要是“落、巡”两个目标；阿联酋则是“绕”一个目标，要实现火星环绕探测。“将‘绕、落、巡’三种任务结合在一起，在世界上属于首创。工程难度确实很大，但经过艰苦努力解决了大量工程难题后，我们有信心、有把握完成这次探测任务。”陈杰说。

据了解，到下一个火星探测窗口即2022年，欧盟与俄罗斯合作的“地外火星”任务将发射，去搜寻过去或现在（可能的）火星生命的生物特征。美国会发射火星样本返回计划，日本将发射火星卫星样本返回计划。更有意思的是，各国都已经开始长远计划并布局最终将人类送上火星的任务。

“这些任务都值得期待。人类探测火星的步伐一直在持续，还将继续持续下去。”陈杰说。