科技猎中国首次自主火星探测！"天问一号"改写历史！
作者 | 静静
出品 | 网易科技《态℃》栏目组（公众号：tech_163）
“GO TO MARS TOGTHER！”刚刚，中国火星探测任务“天问一号”成功发射，开启了我国对火星的首次探测之旅，中国的深空探索又向前迈进了一步。
北京时间2020年7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在中国文昌航天发射场点火升空。
火箭飞行约2167秒后，成功将探测器送入预定轨道，开启了火星探测之旅。
“天问一号”是我国首次自主火星探测任务，是中国航天走向深空的里程碑工程。与其他任何国家首次火星探测任务不同，“天问一号”要实现“绕”“落”“巡”的三连任务，当属全球首次。
火星探测器在升空后，根据测算，最优转移轨道需要203天，也就是6个月零19天，即在2021年2月11日被火星引力捕获。
按照探测器速度，取最优减速轨道以及绕火星探测事件，预计在2021年4月23日开始实施火星着陆。
在到达火星之后，火星车的设计寿命是90个火星日，火星的一天比地球的一天略长一点，大概是24小时37分钟，90个火星日也就是地球上三个多月的时间。
如果“天问一号”能够成功登陆火星，这将使得中国跻身太空精英强国之列，成为太空探索的引领者。
然而，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。
火星，这颗孤独的星球，等着我们的拥抱。
中国首次！人类史上难度最大火星探测是如何完成的？ （来源：逆向思维）
成败关键：“恐怖7分钟”
纵观人类的航天史，人们似乎一直对火星、月球“情有独钟”。全球已经有了40多次火星探测活动，但成功和部分成功的任务仅有22次，成功率大约40%。因此，火星有着“航天器坟场”之说。
但是火星对人类的诱惑太大了。
▲图片来自网络
2010年8月，8位院士联名向国家建议，开展月球以远深空探测的综合论证。为此，国家国防科技工业局立即组织专家开展了发展规划和实施方案论证。
中国国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言曾撰文写道，首次自主火星探测是深空探测的起点和重点，实施方案经过三轮迭代和深化，在2016年1月正式立项实施。
2016年8月，火星探测任务名称和图形标识全球征集活动启动，经过网络投票，“天问”排名第一，得票31.7万余张。
2020年“中国航天日”启动仪式上，备受关注的中国首次自主火星探测任命被正式宣布命名为“天问一号”。
▲图片来自网络
根据计划，我国首次自主的火星探测任务非常重，任务由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成，目标是通过一次发射任务，完成绕、落、巡这前三个步骤。
“这将是世界上首次自主探索火星即完成软着陆的任务。”中国科学院紫金山天文台研究员季江徽曾接受《科技周刊》采访时表示。
中国航天科技集团五院深空探测和空间科学首席科学家、中国科学院院士叶培建曾向媒体表示，中国如果想要实现超越，需要利用现有的技术实现“两步并成一步走”。
但是，“一石二鸟”背后是更高的挑战和更大的风险，国际鲜有先例。
首先，是将火星探测器送上太空的火箭。
这次“天问一号”搭载的是长征五号火箭，是我国最大运力的运载火箭，广大网友爱称其为大火箭“胖五”。2016年长征五号运载火箭首飞成功，截止目前，总共发射了三次，失败一次。
▲图片来自网络
相比于月球，火星距离地球更加遥远，而且火星和地球两者的距离会不断的变化：地球和火星位于太阳两侧时最远距离大约4亿公里，而位于太阳同侧最近时有5460万公里远（是月球的150倍远）。
“天问一号”探测器奔赴火星，并不是走直线，而是通过火箭的运力将探测器送入椭圆形轨道，在这个过程中将一直处于高速飞行状态，需要“长途奔袭”10个月，2021年才能到达火星。
其次，到达火星之后，探测器将迎来决定成败的关键挑战。
“火星探测最大的难点在于’恐怖7分钟’，在进入、下降与着陆过程中，要在7分钟内将探测器的时速从2万千米降低到零。这需要融合多种减速手段才能实现，包括气动外形、降落伞和反推等，也需要自主导航控制技术来保证。”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张伟曾对《科技日报》表示。
据了解，在着陆前，探测器需要先将速度降下来，从4.8公里/秒减速到460米/秒，相当于先来一个急刹车。
▲来自网易科技
接着，探测器打开降落伞，用90秒的时间将速度再降到95米/秒。
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最后，进入“着陆缓冲段”，这会儿探测器需要悬停避障，对火星表面进行观察，看一下地面有没有坑、大的石头，保证落地安全性。
▲来自网易科技
“目前国际上主要有两种减速方式。我国根据探月工程中的技术经验作为基础，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。”中国科学院院士、航天科技集团科技委主任包为民曾向媒体透露，第一阶段为气动减速，第二阶段开降落伞，第三阶段动力减速开反推，第四阶段悬停避障；着陆器在火星表面软着陆成功后将释放火星车。
登陆火星是最具挑战之一，由于火星拥有大气层，要防止着陆器在下降过程中变得过热；而且仅凭落伞无法使着陆器减速，还需要减速火箭。在此前18次火星着陆任务重，仅有10次取得了成功。
在成功着陆之后，探测车将进行“拍照留念”、探测物质和元素、探测环境和侦测火星浅层地质结构，以及探测火星气象等。
▲来自网易科技
▲火星探测器在火星表面示意图（来自《科学》杂志报道）
火星车上，竖立在前端的桅杆顶端的方形设备就像机器人的脑袋，上面有实时探测的全景相机，可以帮助火星车避开障碍。另外，火星车上还有4个大的太阳能电池板，以及探测雷达、磁场探测仪和气象测量仪，可以对火星进行全方位的探测车。
依照计划，火星探测器寿命只有短短90个火星日，火星日比地球一天略长，为24小时40分钟，也就是三个月的时间。
至此，“天问一号”火星探测器即可完成其使命。
人类“第二家园”
正如上文所说，登陆火星是如此艰难，但依然未能阻止人类探索的脚步。为何？
作为太阳系的行星之一，火星与地球在环境等方面的相似性，使得人们对火星探索一直抱有浓厚兴趣。
专家表示，火星不仅有大气，也有适宜的温度，和地球也有着相似的自转周期。研究火星可以给人类带来很多启示，极具价值的基础研究。
国外媒体曾经发表文章称，科学家在火星南极冰盖下发现了液态水存在的证据。这一发现更是激起了人们对火星的探索热情。
“火星是太阳系内与地球特点最为接近的行星，是人类未来移民的首选地。”张伟接受媒体采访时表示。
这意味着，火星将是人类的“第二家园”。科学家甚至都已经提出了火星改造方案。
此次，除了中国的“天问一号”探测器之外，美国的“毅力号”火星车和阿联酋的“希望”号火星探测器，也定在了7月份发射，而原定于今年探测火星的欧洲与俄罗斯合作已宣布推迟到2022年。
为何各国都选择了此时发射？
▲来自网易科技
据了解，每隔两年，全球都会迎来一次火星探测高潮，原因在于地球与火星位置的关系，每26个月火星会有一次距离地球最近的机会，距离只有5500万公里，这也是发射火星探测器的最佳时间窗口。
此时实施火星探测，探测器飞行的路线最短，最省燃料。如果错过此次发射，就要在等26个月，下次发射窗口要等到2022年9月。
移民火星还要多久？
既然火星是人类孜孜不倦追求的“第二家园”，何时人类才能够移民火星呢？
商业火箭公司SpaceX的创始人马斯克曾经提出个火星移民计划：希望在火星建立社区，他还喊出如果把一个人的移居成本控制在20万美元左右，预计地球上最少会有2万人愿意移民外星球。
▲图片来自网络
“北斗女神”徐颖在做客网易科技携手吉利ICON汽车打造的《开杠吧》节目时曾表示，火星是我们的邻居，火星也是我们离太空最近的一个梦想。但是，如果人类真的想移民到火星上来生活的话，还有很多事情要做。比如解决物理层的问题，解决火星环境问题，包括火星大气问题。
“其实已经有科学家提出了火星移民的整体改造方案。大概多少年可以对火星改造完毕，移民火星，我觉得这个单位要用千年为单位计量。”徐颖认为。
雨果奖获得者、科幻作家郝景芳也在《开杠吧》节目中表示，在可以预见的未来，人类即使移民火星，也一定是在封闭环境下有限资源条件下的生存。
这就意味着火星生活不可能是非常自由的，一定是将所有人束缚在一个有限的空间里。这样才能保证可呼吸和空气，可分配的食物，能源和最高效的物资调配方式。
▲图片来自网络 火星生活想象图
“所以，这样营造出来的生存空间和社会，和我们地球上极大丰富的世界资源非常不一样，也会非常经济有效的方式去运行，火星上的社会几乎肯定是科学家工程师和高级知识分子创造出来的社会，也一定是一个非常信息化的社会。”郝景芳认为。
如果有生之年，可以移民火星，你的选择会是什么？
参考资料：
科技日报《天问一号：在探火路上来一次“后发先至”》
新华报业网《首次火星探测任务将进行 “天问一号”，一次实现“绕落巡”》
科技日报《成功率不到一半 为什么人类在如履薄冰中“探索火”》
中国青年报《“天问一号”将向火星进发 中国行星探测为何首探火星》
果壳《为了去火星，你知道天问一号有多努力吗？》
央视新闻客户端《中国首辆火星车来了》
中国航天科技集团公众号
网易科技《逆向思维》第十期
小火箭公号《人类探索火星发射时机与抵达时刻计算图表》