2020年7月我國將發射首顆火星探測器，這次火星探測將實現軟著陸，在火星表面釋放火星車，開展巡視探測。和嫦娥探月工程相比，我國火星探測將一次性走完探月的「三步」。著陸難度相當於從巴黎擊出一隻高爾夫球，落在東京的一個洞裡。
「中國將於2020年探測火星。」
7月8日，在2019軟體定義衛星高峰論壇上，
中國科學院院士、
中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠
在報告中透露了這一信息。
在億萬人的期盼中，
中國首次探測火星的行動越來越近了。
▲火星表面因富含赤鐵礦而呈現紅色，圖源：網路
火星雖然是我們的近鄰，與地球的距離變化較大。最近的時候距離地球5500萬千米左右，最遠可達約4億千米，這就導致從地球上看火星明暗變化比較大。也因為如此，人類探測器探索火星時，時機選擇非常重要。
看點一
選擇2020年7月發射火星探測器
火星繞太陽公轉周期是地球的約1.9倍（687個地球日），火星和地球每隔大約26個月就會來一次親密接觸，這個在天文上叫做「火星沖日」。此時太陽、地球、火星在一條直線上，這時地球和火星的距離差不多達到一個極小值。
▲火星沖日示意圖，圖源：網路
很顯然，如果選擇火星沖日這個時間段發射火星探測器，就會少走很多彎路，節省大量的金錢和時間到達火星。由於火星探測器本身有特定的飛行軌道，這個地火轉移軌道是一個橢圓的一半，叫做「霍曼轉移軌道」。
探測器發射升空後，先在地球附近加速，進入霍曼轉移軌道，在火星附近減速，被火星引力捕獲。探測器通過霍曼轉移軌道從地球到火星軌道的飛行時間是固定不變的，因此探測器發射時，火星和地球的相對位置必須要使航天器到達轉移軌道的遠日點時，剛好在那裡與火星「相遇」。這樣的發射時機，大約每26個月才會出現一次。錯過之後，就必須等待下一次發射窗口。
▲霍曼轉移軌道剛好與火星軌道相切，圖源：網路
所以發射火星探測器的最好發射時間，並不是正好發生火星沖日的時候，而是需要打一個時間差（大概提前3個月）。下一次火星沖日將發生在2020年10月13日，此時火星距離地球大約6300萬千米，那麼發射火星探測器的時間預計在2020年的7月份。
為了抓住這一機會，我國剛剛公布了火星探測計劃，計劃在2020年7月份發射火星探測器，預計經過10個月的太空飛行，於2021年到達火星，著陸火星表面並進行巡視探測。我國首次火星探測是一步到位，一次火星任務中完成「繞」「落」「巡」三大任務，這在航天史上史無前例！
▲我國火星2020探測組合體概念圖（圖源：國家航天局）
由於從地球飛向火星是一個上億千米的漫長旅途，途中稍有不慎探測器就會「死在半路上」。至今為止，人類總共發射了40餘顆火星探測器，耗資巨大，但成功率只有一半，因此火星又稱之為「航天器墳場」。
看點二
著陸火星得經歷恐怖的「黑色7分鐘」
一般而言，著陸探測器需要如下幾步才能最終抵達火星表面：
第一步，從地球發射並進入環繞地球軌道；
第二步，進行軌道機動，從繞地球軌道脫離，進入雙曲線轉移的日心軌道，飛向火星。軌道計算要非常精確，確保探測器的軌道和火星在前方相遇；
第三步，飛船被火星引力場捕獲，在指定高度進行軌道機動後成為火星繞飛軌道上的一顆衛星；
最後一步，也是最危險的一步——著陸。探測器釋放著陸器，需要穿過火星大氣層才能著陸在火星表面。
▲模擬探測器火星著陸
著陸器從130多公里的高空進入火星大氣，速度達每秒5.9千米，要在短短七分鐘的時間內，讓著陸器的速度降至零，實現安全著陸。由於「地火」距離非常遙遠，單向通信延遲最高可達約20分鐘。也就是說，在地面上根本無法實時調控著陸器著陸過程，必須完全靠事先輸入的參數自主完成著陸，著陸全程大約7分鐘（200多秒），200多秒內，探測器要完成超過1000個不同動作和指令，整個過程就這麼困難，目前這個技術被美國NASA壟斷。
▲「好奇號」著陸的過程縮略版（圖源：NASA）
有人比喻，這難度相當於要求一個高爾夫球手從巴黎擊球，落在東京的一個球洞內。選擇著陸點，以什麼角度進入大氣層，什麼時候進行製動等等都非常關鍵不能出絲毫差錯，是火星探測任務中技術難度最大、失敗概率最高的關鍵時刻，被稱為「黑色七分鐘」。
▲中國火星探測器的著陸器及火星車概念圖，圖源：國家航天局
看點三
中國火星著陸器在哪著陸，以何種方式降落？
為了讓承載貴重精緻科學儀器的火星車安全著陸火星表面，目前主要有三種方式：
第一種是氣囊緩衝。1996年12月4日發射的「火星探路者」， 2003年6月和7月分別發射的「勇氣號」與「機遇號」火星車，就是使用這一方式。
第二種方式是著陸支架緩衝。2007年8月4日發射的「鳳凰號」著陸器比「機遇號」和「勇氣號」更重，因此採用了著陸支架緩衝的方式，實現了安全著陸。
第三種方式是空中吊車著陸。2011年11月26日發射的「好奇號」火星車的重量很大，將近1噸，為了安全著陸，使用 「空中吊車」開啟8台反推發動機，從而實現安全著陸。
▲空中吊車著陸示意圖，圖源：網路
據中國火星探測任務相關人員介紹，中國首次火星探測著陸器將選擇在火星北半球緯度20～30度的範圍著陸，探測火星的形貌、土壤、環境、大氣，研究火星上的水冰分布、物理場和內部結構。我國的火星車最終選擇何種方式著陸，將取決於著陸器的重量、工作方式等等。讓我們拭目以待！
看點四
火星上究竟有什麼？
對科學家而言，火星殘餘磁場、電離層與大氣層的探測與環境科學，火星地形地貌特徵與分區，火星表面物質組成與分布，地質特徵與構造區劃，火星內部結構、成分等都是非常有意義的科研對象。
其中，無論是科學家還是普通大眾最感興趣的科學研究：火星上的生命活動信息以及火星適合人類移民的潛在資源。所以，每一次人類的火星探測計劃都會受到世界高度的關注。未來，火星是否能成為人類的第二個「地球」，取決於人類的每一次火星探測數據分析和科研結果。
▲「火星快車」2018年的觀測發現，火星南極冰蓋下方可能存在一個液態水湖，圖源：ESA
火星這顆紅色的行星一直是人類關注的神秘星球，長久以來人們對它保持著濃厚興趣。早期科學家用光學望遠鏡觀察到了火星表面存在暗區（即亮度相對比較低的區域）。人們猜想這些暗區可能是海洋、湖泊等。後來又發現似乎有一些從暗區延伸出的細線，這些細線被想像力豐富的天文學家腦補為「水道」。暗區會在冬季時縮小、夏季時擴張，很像森林冬天落葉，區域減少，夏天植被覆蓋，區域擴大。這些神秘現象，激發了當時人類認為火星可能存在大量液態水甚至植物的推測。
當時，美國天文學家帕西瓦爾·羅威爾觀察到「水道」現象並對外宣稱，「那些『水道』其實是人工挖掘的『運河』，用來灌溉植物，因為水道太細不可見，而看到的細線應是灌溉出的大片植物」。類似的爆炸性新聞如雨後春筍般迅速傳遍全球，人們開始暢想火星人的科幻故事。或許從這時起，火星就深深地刻入人們的基因裡，讓人類夢想有朝一日登陸火星，造訪我們的想像中的近鄰生命。
遺憾的是，這些「水道」當然是不存在的，部分是峽谷或隕石坑後延伸出的深色沙子造成的錯覺。而火星表面顏色的改變則是因為沙被風吹移造成的。但火星表面確實存在水沖刷形成的遺跡。
▲「好奇」號曾在火星蓋爾隕坑，勘測到火星過去存在水流痕跡，圖源：NASA
但這沒有澆滅人們探測火星的熱情。火星和金星距離地球最近，人類對二者發射的探測器數量也不相伯仲。但火星是目前唯一一顆有人造車輛漫遊的大行星。火星也是與地球形貌最接近的大行星，且含有水和甲烷，經過改造後是非常有可能成為人類地外移民的首顆行星。
看點五
「火星移民」只是夢想嗎？
火星，平均溫度零下63度，最高溫度35度，大氣壓只有地球的0.6%，大氣主要成分是二氧化碳。最關鍵的是，火星上發現了大量水存在的證據。通過科學數據分析，火星土壤裡含有1.5%到3%的水，《科學》2018年7月還報導「火星存在地下湖泊」的消息，這些水可以滿足未來人類移居火星的時候使用。
▲人類漫步火星幻想圖，圖源：網路
火星自轉周期和地球非常接近，24小時多一點，公轉周期是地球1.88倍。火星表面氣壓低，大氣成分無法供人呼吸，因此人們必須穿戴防護設備才能外出。不過，科技狂人馬斯克就大膽設想用核爆技術進行火星大氣改造，創造出利於人類生存的條件……
如果有一天人類真的實現了火星移民，長期居住火星就會和地球上的人差別越來越大。火星重力是無法改造的，它只有地球重力的1/3多一點。因為較輕的重力使得人可以長得更高更大，肌肉密度和骨骼密度也會和地球不同。或許幾代火星移民後，一種新的智慧生命「火星人」就形成了，雖然他們的老祖宗是地球人。
撰文：韓文標 中國科學院上海天文台研究員
審稿：丁溯泉 曾任北京跟蹤與通信技術研究所工程師、中國載人航天工程辦公室高級工程師，現任北京天問空間科技有限公司總經理
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