出发!“天问一号”火星征程启动

豌豆皮

2020年7月23日12：41，中国首枚火星探测器——“天问一号”在海南文昌卫星发射基地由长征五号遥四火箭发射成功。由大推力氢氧发动机推动的“胖五①”昂首向天，在2167秒的时间里将重达五吨的探测器一口气从地表送上前往火星的地火转移轨道。对“胖五”来说，它的任务已经完成，表现堪称完美地通过了这次“大考”，而对于“天问一号”来说，漫漫征途才刚刚开始。

何尽何历：“天问一号”将要面对的难关

发射入轨只是“天问一号”征途的第一步。在接下来的200多天里，它会默默地绕着太阳飞行，划出接近沿长轴切开的半个椭圆的弧线，来到与发射时地球位置相对的太阳另一侧。火星将会与它同时到达这里，而地球已经将它俩都抛在身后。在短暂Cos一颗行星的这七个月时间里，“天问一号”的任务相对简单，因为轨道已经由入轨速度确定，这段路程它的任务是保持好导航和姿态控制，与地球保持联系，时不时报个平安，汇报一下自己的位置，确认没有遭受微陨石撞击或者太阳电磁风暴这样的极小概率事件。只要它的速度没有偏差，那么轨道就不会偏离预定计划。

接下来，在“天问一号”完成绕太阳半周的运行，来到与火星“约会”地点的时候，属于它的“大考”才开始。它需要在正确的时刻，以正确的力道“刹车”，放慢自己的速度，让自己被火星的引力“俘获”。这个时间窗口只有一个半小时，如果制动太早，它会在抵达火星之前就被太阳引力“拉”回去。如果制动太晚，则会在抵达火星之后因为火星无法“留客”而同样被太阳拉回去。“刹车”的力道，也就是制动火箭的减速也需要非常精确，减得多了，探测器可能坠毁在火星上，减得少了则留不下来。在火星空间探测史的早期，探测器只能飞掠而过，在接近的片刻短暂观察火星，随即不得不远远离开，缺的就是这一脚精确的刹车。

①“胖五”

长征五号运载火箭的昵称，该火箭也是我国首枚大型运载火箭。采用全新5米芯级直径箭体结构，总长57米，起飞重量约870吨，近地轨道运载能力25吨圾。

②恐怖七分钟

即探测器在火星下降与着陆的過程中，要在7分钟内将自身的时速降低到零

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火星上会有风暴出现，持续时间较长，最高时速可达90千米。在科幻电影《火星救援》中，正是一场火星风暴使主角被困在了火星上。

第二次“大考”，满卷皆是难题

按照预定计划，“天问一号”将在2021年2月抵达火星，在春节时进入环绕火星的轨道。探测器将会花上一段时间环绕火星飞行，一边调整自己的轨道，一边考察着陆地点，然后在4月下旬择机放下着陆器和火星车。在一次发射任务中同时发射轨道器、着陆器和火星车，一次性实现“绕、落、巡”三个目标，这在整个火星探测史上还是第一次。

着陆器预计将会在火星的乌托邦平原（火星上最大的平原）上选择着陆地点。降落火星的过程异常凶险，着陆器要在下落的短短七分多钟里，把与火星表面的相对速度从每秒4800米减速到零。

这是“天问一号”面临的第二次“大考”，“考卷”上有多道难题：

首先是“气动减速”，着陆器直接冲进火星大气，借助大气阻力减速。这段时间占据了“恐怖七分钟②”的三分之二，要在五分钟内把4800米/秒的速度降到460米/秒，其中的关键在于冲进大气的角度。如果角度太大，与大气的摩擦和冲击将会把温度升到隔热盾无法保护的数值;而角度太小，则会让着陆器像打水漂的石子一样跳走，无法进入大气。

接下来是“伞动减速”，着陆器打开降落伞，在一分半的时间里，把速度继续降到100米/秒以下。这里要面对的是不可控的风险，那就是火星上的风速。如果风速太大，着陆器可能会无法控制姿态，降落伞甚至会有被撕裂的危险。虽然2021年4月的火星北半球大致正是夏末秋初的时分，气候相对稳定，但仍有刮起狂风的可能。

在完成前两道“考题”后，着陆器将会抛弃降落伞和外罩，露出着陆平台，启动反推火箭，这是“动力减速”。在这之后，着陆器的速度将会降低到3.6米/秒，相当于在地球表面从一张凳子向下跳时的落地速度。

最后，就是“落地缓冲”阶段。着陆器需要自主分析下方的火星表面，寻找一个最合适的着陆地点。然后，就像我们从高处跳下时，会微微屈膝消解掉冲量一样，着陆器也会在落地的瞬间依靠四条腿来吸收最后的冲击，让自身平稳着陆。

以上的四道大题，任何—道的任何一个步骤出错，都会让着陆器飞越数亿千米的旅程功亏一篑。只有精确把握住每一个时间节点，准确完成动作，才能安全完成在火星表面的软着陆。迄今为止，人类在火星上尝试的15次着陆，只有8次成功，成功率堪堪过一半。

何以识之：“天问一号”的科学任务

一旦成功着陆，火星车就会从着陆器中释放出来，像探月的“玉兔号”一样，沿着滑轨驶到火星表面。它计划在火星表面展开为期90个火星日的巡游，在这90天里，还在环绕火星飞行的“天问—号”轨道飞行器将会为它的通信中继“保驾护航”。只有当火星车的工作结束后，轨道器才会专心开展对火星表面的勘测工作。

“天问一号”这次一共携带了13台科学仪器，其中7台留在轨道器上，6台被火星车带到火星表面。轨道器上携带的是两台相机、火星轨道次表层探测雷达、火星矿物学光谱仪、火星磁力仪、火星离子和中性粒子分析仪及火星高能粒子分析仪。轨道器将会在极椭圆轨道上围绕火星飞行，计划工作一个火星年的时间。天问一号轨道器所使用的这个极椭圆轨道离火星表面最近时只有265千米，最远时却有12000千米。这是通信卫星喜爱使用的轨道，因为在这样的轨道上，飞行器将会飞速经过近星点，但前往和离开远星点的过程却很长，卫星在很长一段时间内几乎是“停留”在火星表面同一个地区上空。除了充当通信中继外，天问一号轨道器还将绘制火星表面立体图像、探寻火星地表下的水冰，分析火星表面矿物分布，并探寻火星的磁场。火星磁场的消失一直是它演化过程中的一大谜团，这也导致了火星的表面环境与地球的发展道路分道扬镳。它究竟经历过什么样的事件，“天问—号”也许能为我们找到线索。

在火星车上携带的6台仪器则是多光谱相机、地形相机、火星巡视器次表层探测雷达、火星表面成分探测器、火星磁场探测器和火星气象监测仪。与轨道器的观测范围覆盖整个星球表面不同，火星车只能探测自己所到之处的样本，但是精度远高于轨道器。它会研究火星土壤、岩石和大气的成分，也能向下探测地下的水冰和地层结构，但是雷达“透视”的深度不如轨道器。二者加起来，在火星的形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等方面都有比较全面的考察，但在行星生命科学方面并没有特别关注。

“天问一号”是中国向行星际空间的第一次提问，对火星的探索已经拉开序幕，随着探索的不断深入，未来还会有更多的问题抛出，我们也期待着行星们做出回答。

③火星日

即火星上的一个太阳日（火星自转一周的时间）。由于火星的轨道离心率比地球大，它的太阳日长度也不恒定。后文中火星年也是指火星绕太阳公转一周的时间。