叩问天穹，远征火星

牙牙

在第五届中国航天日（2020年4月24日），中国行星探测任务被命名为“天问系列”，首次火星探测任务被命名为“天问一号”，后续行星任务依次编号。该名称源于屈原长诗《天问》。在这首诗里，屈原对天地万物发起了一连串“灵魂拷问”，例如“九天之际，安放安属？”“日月安属？列星安陈？”……两千多年后，中国人终于“走出”地球，探索古人渴望而不能至的星空。

2020年7月23日下午，天问一号从海南文昌发射场，搭乘长征五号遥四火箭顺利发射升空，奔赴火星。根据计划，经过约200天的飞行后，探测器将抵达火星轨道，于2021年2月11日至24日环绕火星运行，并于2021年4月23日降落一台火星车到火星表面，進行时长90个火星日的探索工作。

为什么是火星

火星是太阳系中与地球环境最为相似的行星，科学家认为早期的火星曾是一颗有着广阔海洋和浓厚大气层的温润星球，但在漫长的演化过程中，火星的大气层几乎消失，失去大气层保护的火星也因此变得干燥、寒冷。那么，火星上曾经有过生命吗？虽然目前火星上严酷的条件似乎难以支持生命活动，但近期美国的“好奇号”在火星上发现了一些可能与生命有关的迹象。了解火星对研究地球早期历史和生命起源有着重要意义，也对人类拓展生存空间具有重要意义。此外，火星探测相对于其他的行星探测来说，更容易实现。金星、火星虽然是地球的邻居，但需要飞行6—10个月的时间才能到达。而要到达木星则需飞行7年。因此，纵使探测火星远比探测月球复杂困难，我国还是义无反顾地借天问一号开启了火星探测之旅。

去火星究竟有多难

截至阿联酋“希望号”火星探测器发射之前，人类以火星为目标开展的航天器发射任务有46次（其中2次任务的终点站不是火星）。在这46次发射中，连地球引力范围都没出的失败案例就有11次，在成功前往火星的35次任务中，有5次在前往火星的路上失联。

万事开头难

天问一号探测器是绝对的“重量级选手”，它足有5吨重。科学家们计划让天问一号利用一次发射完成环绕、着陆、巡视火星三大任务，也就是所谓的“绕落巡”。因此，天问一号由3个大家伙组成：环绕器负责带着着陆巡视组合体抵达火星附近;着陆巡视组合体包含进入舱和火星车两部分，进入舱（着陆架）负责带着火星车进入大气层;而火星车负责在火星表面巡视探测。不过，环绕器对火星车的作用不止于“带一程”，它还会持续为火星车提供通讯中继服务。

想要一次把重达5吨的大家伙运上火星，首先必须解决的难题就是运输工具——火箭。要知道，与40万公里外的月球相比，火星可遥远得多。火星和地球都是环绕太阳运行的行星，这意味着，两者的距离会不断变化：地球和火星位于太阳两侧，距离最远时，大约相距4亿公里;而位于太阳同侧，距离最近时，两者也相距了5460万公里。也就是说，即使是地球与火星最近的时候，两者之间的距离也是地月之间距离的150倍。

不过，直线距离的对比，对我们了解火箭的发射难度其实并没有直接的意义，因为不管是去月球还是去火星，探测器都不是直线飞过去的，而是通过火箭的运力把探测器送入一个大椭圆轨道，让探测器飞着飞着就自然而然地和火星“相遇”。这个大椭圆轨道就是传说中的“霍曼转移轨道”。从地球到火星的霍曼转移轨道，这样的发射窗口每26个月一次。之所以选择让探测器以这样的方式飞往火星，完全是因为相比于珍贵的火箭燃料，时间可以说是极其廉价的——为了尽可能节省燃料，在路上多花上个一年半载的时间根本不是事儿。尽管路程不等于直线距离，但去往更遥远的火星，依然需要我们有更强大的火箭。直到2019年12月27日，长征五号遥三运载火箭成功将实践二十号卫星送入预定轨道，天问一号才终于得到出发的保障，确定可以赶上2020年7月这次火星发射窗口。

死亡七分钟

就深空探测来说，探测器发射成功仅仅是探测任务的“万里长征第一步”而已，后面还有相当多的挑战在等待着天问一号，着陆火星就是其中较大的一个难关。因为下降阶段的时长往往在几分钟到数小时不等，所以美国人喜欢将该阶段称为“死亡七分钟”。从1960年人类第一次尝试发射火星探测器至今，火星探测器一共有15次成功进入火星大气层，但只有8次成功着陆并顺利开展探测工作——近一半的失败率让这颗红色星球获得了“探测器坟场”的称号。

着陆火星比着陆月球要危险得多，这很大程度上要怪火星有大气层。尽管火星大气层很稀薄，表面大气压只有地球的6%，但也足以形成一个屏障，让毫无防备的探测器“未达火星就先烧坏了”。但这并不是说火星大气有害无利，事实上，火星大气的存在让着陆器有了利用大气摩擦减速和使用降落伞减速的空间，这些都能缓解之后使用反冲火箭减速的压力。总之，相比于简单直接的月球着陆任务，火星着陆任务多了很多复杂的步骤。例如，着陆组件得先被塞进一个隔热盾里保护起来，降落伞要能打得开、撑得住，减速到一定程度时隔热盾还要打得开、抛得掉……这些都得靠探测器自主判断和完成。

探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。探索火星，我们已经启程，这注定是一条充满挑战的荆棘之路，但这也是中国想要迈向星际、去往更远的星球所必须拿下的起点。