本文作者：鲁暘筱懿
行星物理学博士、国家遥感中心副研究员
“遂古之初，谁传道之？”——中国战国时期的诗人屈原这样问天。他的这首长诗《天问》表达了我国古人对于天地奥秘的好奇与思索。
01“天问”是个大计划
自年以来，人类已经向火星发射了40多个探测器，其中15次成功进入了火星轨道，8次成功着陆，并释放了3辆火星车（巡视器）。
如苏联的“金星”、美国的“水手”行星探测计划一样，中国的“天问”计划也是由若干探测任务组成的系列深空探测计划。
开启这一征程，也意味着中国将正式跨入行星探测时代。继载人航天、探月工程后，中国根据本国国情综合考虑开启的又一太空探索计划。
天问一号火星探测器
（图片来源：CNSA）
天问一号搭载的着陆器和巡视器
（图片来源：CNSA）
事实上，天问一号火星探测任务是天问行星探测计划的第一个任务单元，目标是探测火星表面物质成分、火星磁场及宇宙辐射环境、着陆区附近是否存在水冰、火星的气候，以及对探测区域内的火星表面进行拍照，从而为科学家进一步了解火星演化提供“新鲜的”、“一手的”科学依据。
中国通过嫦娥探月计划十六年的积累总结了丰富的深空探测经验，实践了如何将探测器降落到地外天体上、远程操控探测设备对地外天体（月球及小行星）进行各类型探测、了解了地月间的各种物理场及空间环境状况。
天问计划的实施将意味着今后我们除了会经常听到来自月球的“声音”，还会时不时听到火星的“回应”。
02“乘风破浪”的天问一号
我们知道，火星上存在稀薄的大气层，南北两极有冰盖……这些环境特征使火星像极了地球，虽然火星是颗沙漠星球，却丝毫没有减弱人类移民火星的决心。为能做好去往火星生活的准备，人类花了大力气去实地了解这颗红色星球。
每次发往火星的探测器都会装备许多科学仪器。这次天问一号也不例外，重千克的探测器上的13台科学载荷让这颗中国研制的火星探测器成为名副其实的“重装骑士”。
13台科学载荷包括：
轨道飞行器上的七台仪器：两台摄像机，火星轨道地下探测雷达，火星矿物学光谱仪，火星磁场仪，火星离子和中性粒子分析仪以及火星高能粒子分析仪；
火星车上安装的六种仪器：多光谱摄像机，地形摄像机，火星探测器地下探测雷达，火星表面成分检测器，火星磁场检测器和火星气象监测器。
这位“骑士”先要骑上全新研制的长征五号重型火箭摆脱地球引力的束缚，然后巧妙地借助“霍曼转移轨道”省时省力地踏上去往火星的征程。
天问一号火星车上的科学仪器
（图片来源：CNSA）
大约在年2月，天问一号将被火星引力捕获，从而开始绕火星轨道飞行，4月左右将择机着陆火星表面。看似漫不经心的一次飞行，实则步步惊心。
探测器冲出大气层保护的一刹那，它将开始受到宇宙高能粒子和射线的辐射。这对于探测器部件的稳定性和寿命将是极大考验。一些核心计算单元的可靠性将极大影响各重要飞行控制节点的准确性。
如果天问一号是颗载人登火飞船，那么上面的宇航员将在长达9个月的星际旅行中不得不面对宇宙空间内人类生存的考验。这也是我们必须认真对待“脑科学”等生物学前沿学科的原因。
就算旅途中一切顺利，降落至火星表面前的7分钟也将是所有着陆火星的探测计划最重要的环节。即便到了火星表面，气温、光照、辐射环境的剧烈变化也会使太阳能电池板、温控单元等部件老化。
天问一号轨道器设计寿命两年，着陆器及巡视器设计寿命为90天。
03要命的7分钟
如果说探访月球是侧方位停车，那到访火星就像是汽车自动泊车。目前为止，人类一共向火星派出17个着陆器，只有7个安全着陆火星表面。
着陆速度是导致人类在“征服”火星的道路上屡战屡败的最大不确定因素。
火星探测器进入火星大气的时速约为千米，在7分钟内，其速度在受控状态下要降为零。
由于火星与地球之间有大约8到40分钟的通信延时，工程师会提前把控制探测器飞行的数据输入到探测器上。探测器将自主决定切入火星轨道的时机，切入点离火星过远或过近，探测器终不能顺利完成着陆火星的目标。
在探测器进入火星大气时，其防热措施、降落伞、气囊和缓冲火箭等能否按程序工作，每一步骤都将决定探测器的生死。
在众多失败着陆案例中，就有探测器降落伞提前脱落，而反冲发动机未及时开机直接导致坠毁的事故。而成功逃过这7分钟魔咒后，天问一号将着陆在一片相较平坦，科学家希望能探测到水冰的火星表面。
纵观人类想出的着陆火星的方式，总的可归纳为软着陆和硬着陆两种方式。软着陆是利用降落伞和反冲发动机的无缝配合着陆的方式。比如天问一号、好奇号都是采用的这一方式。
天问一号发射前做着陆实验
（图片来源：CNSA）
好奇号火星车着陆过程图解
（图片来源：NASA）
另一种硬着陆方式则是科学突发奇想利用能量守恒原理，采用气囊缓冲的方式使探测器多次触地最终静止在火星表面的方式。机遇号和勇气号这两个孪生兄弟就是采用这种“滑稽”方式硬着陆火星的。
勇气号火星车着陆气囊
（图片来源：JPL）
即便赶往火星需要乘风破浪，着陆火星尚需经受“黑色7分钟”的考验，但依然不能阻挡人类仰望星空，将自己置身于类地家园上的决心。
从左到右：旅居者号、勇气号、好奇号
（图片来源：JPL）
04织网捕“天”
由于火星距离地球最远时超过4亿千米，这将对探测数据的接收和发射提出挑战。
这些年得益于嫦娥工程及一些列空间探测任务的实施，我国已建立起一张深空测控网。这张网将由于火星探测、小行星探测计划的实施而日益强大。
天问一号探测任务将包括“绕”“落”“巡”三个部分。每一步都需要地面测控网的鼎力支持。做到深空探测器、对地观测卫星等航天器测控数据高效准确的发送和接受是每个掌握深空技术的国家必经的取经路。
我国的这张网已初具规模：密云、武清、佘山、佳木斯、喀什、内乌肯（阿根廷）以至于海上漂泊的远望号测量船，这些测控站极大地改善了我国深空探测网的几何构型，有了这张网，我们方可捕获来自天外的微弱信号以及向深空发送控制指令。
05三驾马车共赴荧惑
由于航天发射窗口期的原因，想又快又省地去往火星，今年的7、8月是绝佳时机。7月20日，阿联酋首个火星探测器希望号搭乘H-2A运载火箭在日本南部的种子岛航天发射中心升空。
近期与天问一号前后脚发射的还将有美国的毅力号火星探测器。这三驾马车共赴荧惑（中国古人对火星的称呼）的场景不由得让我们联想到他们之中谁将占据火星探测C位的戏剧画面。
其实，火星乃至对于太阳系行星际空间的探测，时至今日已变成一个国际合作的舞台。我发射的探测器上搭载你的仪器，你的轨道器帮我转发着陆器探测数据和测控信息早已不再是航天国家间不可逾越的鸿沟。在驶向星辰大海的征途上，人类终将战胜利己，通力合作。
天问一号及其它火星探测器着陆火星表面位置
（图片来源：PlanetarySociety）
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