人们为什么对火星情有独钟

冯华　刘诗瑶

2020年7月23日，在中国文昌航天发射场，伴随着震耳欲聋的轰鸣声，人们熟悉的“胖五”——长征五号运载火箭在天际划出一道金色曲线，经过2000多秒的飞行后，成功将我国首个火星探测器——“天问一号”送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。

4月7日，记者从国家航天局和中国航天科技集团获悉，目前“天问一号”探测器正在火星停泊轨道运行，绕火期间一次次从火星首选着陆点乌托邦平原上空掠过，观察着陆点，开展预着陆区成像探测，为5月到6月择机着陆火星做准备。“天问一号”任务，是我国首次火星探测任务，计划通过一次发射，实现“绕、着、巡”（火星环绕、着陆和巡视探测）三大目标，这在世界航天史上尚属首次。

火星探测，可以说是当前行星探测的重点目标。太阳系八大行星中，人们似乎格外偏爱这颗红色星球。最近20多年，几乎每一个发射窗口都有火星探测器发射。2020年7月，就有我国、阿联酋和美国三个国家计划实施火星探测任务。人们为什么要探测火星？从地球到火星，探测器怎么去？到达火星之后做什么？三国“探火”任务有啥不同？

为什么要去火星

因为研究火星对认识地球演变具有非常重要的比较意义！中国首次火星探测任务新闻发言人、国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰告诉记者，火星是离地球较近且环境最相似的星球，一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。以往探测发现了存在水的证据，火星上是否存在孕育生命条件以及火星是地球的过去还是地球的未来，成为火星研究重大科学问题。

专家介绍，太阳系共有八大行星，按照距离太阳的远近，依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，其中水星、金星、地球、火星叫作类地行星，其他排列在外圈的叫作类木行星（巨行星）。根据目前的研究，类地行星的主要成分都是硅酸盐，均为固体表面，都有核、幔、壳等分层结构。而类木行星主要由氢、氦和水等组成，不一定有固体的表面。

在这些类地行星中，火星的自然条件与地球最为类似。从外形上来看，地球半径6378公里，火星半径3397公里，大致是地球的一半;火星的体积是地球的1/7，质量是地球的1/10。从地表温度来看，火星也与地球最为接近。

从自转、公转形成的季节和时间来看，与地球相似，火星上也有一年四季。地球的一天为24小时，火星的一天则是24小时39分35秒，比地球长了40分钟。而地球的另一个邻居金星，一天的时间相当于地球的243天，一年公转时间则为224.7天;距离太阳最近的水星，一天相当于地球的58天，一年相当于地球的88天。

从工程实践来看，火星探测相对于其他的行星探测，也更容易实现。“设计航天器要尽可能适应当地的环境。以金星为例，地表温度高达400多摄氏度，目前的元器件在金星上都不能长期存在。火星与地球有最接近的环境，从各方面来看，火星探测在工程上更具可行性。”

再从任务周期来看，金星、火星作为地球的邻居，飞行时间大约需要6～10个月。而木星则需要飞行7年，水星也需要花费数年时间。再往更远的深空飞行，按照目前的技术手段，可能要用上几十年的时间。正因为这些原因，火星探测才会在近年来愈发火热。

如何到达火星

火星距离地球，可以用“亿里迢迢”来形容。这么远的距离，探测器要如何才能到达？

专家介绍，由于路途遥远，从地球发射探测器到达火星，一般都采用最省能量的轨道。考虑到风险、成本等因素，地球航天器到火星的最佳路线为1925年提出的“霍曼轨道”。由于该轨道每26个月才能出现一次，且最近“霍曼轨道”形成时间为2020年夏，所以近期各国火星探测计划均集中在该时间段。这也是发射窗口的含义之一。

中国科学院国家天文台研究员郑永春对此作了形象的比喻：“可以把太阳系八大行星的轨道想象成一个大操场，火星在第四跑道，地球在第三跑道，内圈跑得快一些，外圈距离长、跑得相对慢一些。那么，从内圈到外圈发射探测器，最省力的方式一定是火星在前面、地球在后面，这样才有可能追上。否则在直线距离时发射，等到探测器飞过去，火星已经跑掉了。”

专家介绍，探测器发射成功只是第一步，要圆满完成此次任务，“天问一号”还要经历6个阶段的考验。任务飞行过程包括发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等6个阶段。

这其中，关键环节非常多，对发射、轨道、控制、通信和电源等技术都提出了很高的要求。

中国首次火星探测任务总设计师张荣桥此前接受记者采访时表示，与以往的工程相比，火星探测工程的最大特点是距离远、环境新。

“火星离地球最远4亿公里，我们以光速传播，约等于每秒30万公里，单程需要将近23分钟。什么概念呢？我从地面上发送一种指令，探测器要在23分钟后才能执行。这就给我们的测量、控制带来了新的难题。”张荣桥告诉记者，第二个挑战是环境新。“航天器设计的逻辑是先了解要去的环境，通过各种技术、手段、措施来保障航天器适应这个环境，但深空探测的特点是要去的是一个尚不确知的环境。”

就拿光照来说。火星光照特殊，同样面积下，火星接收太阳光的能量只有月球表面的40%。探测器想要正常运转，需要增加一些特殊设计。太阳翼面积需要更大更灵活，大致相当于放置月球上的2～3倍，还要具备双轴驱动能力，时时刻刻追着太阳走。

再如大气。火星的大气稀薄且具有不确定性，着陆器下降时，进入火星大气层的速度高达每小时18000公里，这一速度是高铁列车最快时速的50倍！超高速摩擦将会产生恐怖的温度，經历了上千度高温的考验后，降落伞将帮助火星车进行减速。随后火星车将开启全自动驾驶模式，自主完成减速、悬停，避开火星表面复杂地形后，缓缓降落至火星表面。这个过程，只能依靠探测器上的GNC（导航、制导、控制）系统自主执行。这一过程难度极大，一些国家的火星探测计划，就是在这短短的几分钟内“折戟”失利。

火星车成功着陆后，将开展哪些工作？

刘彤杰告诉记者，探测器分为环绕器和着陆巡视器，二者都搭载了不少载荷。

对于环绕器与着陆器将开展的探测工作，专家做了形象的归纳。

——照相，去了之后总要看看火星长啥样，传回自己拍摄的火星图像;

——测物质，火星表面有什么物质，这些物质的构成成分是什么;

——测环境，携带的这类仪器数量最多，探测火星的磁场环境、离子与中性粒子、高能离子等情况;

——看内部，尽管只是探测浅层的地质结构，也是大家关注的焦点，火星地下的分层结构如何，到底有没有水冰的存在等;

——看气象，火星上的温度变化到底怎么样，可以测风、测温、测气压，还能听听火星上的声音什么样。

三国“探火”有何不同

2020年7月，对于很多航天爱好者来说可是兴奋异常，包括我国在内，共有三个国家计划实施火星探测任务。其中，阿联酋“希望”号火星探测器已于北京时间7月20日凌晨5点58分，在日本种子岛太空中心由日本H-2A运载火箭发射成功，开启前往火星之旅。美国“毅力”号火星车于北京时间7月30日19点50分从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空。

火星探测器“机遇”号在火星表面拍摄的高清广角图片。图片|NASA官网

可以把太阳系八大行星的轨道想象成一个大操场，火星在第四跑道，地球在第三跑道，内圈跑得快一些，外圈距离长、跑得相对慢一些。从内圈到外圈发射探测器，最省力的方式一定是火星在前面、地球在后面，这样才有可能追上。

那么，这三个“探火”项目各自都有什么特点？国家航天局专家告诉记者，由于技术水平、项目进度、科研侧重点等方面的不同，各国的探测任务执行上存在一定的差别。

——美国：为“登火”做准备

美国发射的“毅力”号火星车是在此前获得成功的“好奇”号火星车的基础上改进而来。该火星车装备了最新的机械臂，以及火星环境动力分析仪、火星次表层雷达成像实验仪等科学仪器，不仅能提供高分辨率3D火星图片，还能保存岩石和土壤样本，并在未来带回地球。

——中国：一次实现“绕、着、巡”

我国首次火星探测任务的探测器由着陆巡视器和环绕器组成。探测目的是一次实现“绕、着、巡”三步走，即能够对整个火星进行全球观测、成功着陆火星，以及火星车进行巡视勘测。此次任务的科学目标是实现对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等科学探测，从而有利于建立起对火星全面而基础的认识。

——阿联酋：环绕探测火星大气和环境

相比中美两国，此次阿联酋发射的“希望”号火星探测器并没有“落火”计划，探测器采用环绕探测火星的方式研究火星大气和环境。

国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠表示，火星探索的起步，代表了中国在深空探索领域已确定了下一个方向，中国的行星探测形成了整体概念。

他透露，“天问”系列探测任务还将继续，我国计划在2030年左右进行第二次火星探测任务，也会继续推动小行星探测和木星、土星等更远星球的探测工程。“除了行星探测，深空探测还包括月球探测和太阳探测。嫦娥五号进行月面采样返回，是我国探月工程三期的收官之战，后续还将探测月球南極，已规划嫦娥六号、嫦娥七号和嫦娥八号等任务，未来也期待与国际同行合作，建立月球科研站。同时，对太阳的探测也会采取多种方式进行。”

◎ 来源|人民日报-麻辣财经工作室

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