火星，我們來了！

一、 為什么要探測火星？

茫茫宇宙，火星是太陽系中與地球最為相似的行星，這顆紅色的星球，是一顆承載人類最多夢想的星球。

火星的自然條件比地球惡劣得多，但已經(jīng)是太陽系中與地球相似度最高的星球了，兩者都形成于約45億年前，行星結(jié)構(gòu)也都有核、幔、殼。有著相似的自轉(zhuǎn)周期，一個火星日大約是24小時39分鐘。有著相似的自轉(zhuǎn)傾角，意味著它與地球一樣有四季的變化。

火星真實色彩映像，羅塞塔號攝于2007年

而且遠(yuǎn)古火星有大量液態(tài)水，很可能存在過生命，現(xiàn)在火星地下應(yīng)該還有大量含水層，甚至有人認(rèn)為現(xiàn)在火星上依然有生命。所以它是研究行星演化、地外生命等科學(xué)問題的重要目標(biāo)，也是人類殖民宇宙的首要目標(biāo)。

二、 火星有生命嗎？

火星上到底有沒有生命？有科學(xué)家認(rèn)為火星生命的出現(xiàn)是大概率事件，但不會有智慧生物。

從地球生命的起源可以推測火星是否有生命。一般認(rèn)為地球的生命起源于大約39億年前的海底火山，在這里來自火山的各種無機(jī)物逐漸反應(yīng)產(chǎn)生了各種復(fù)雜的有機(jī)物，最終形成了生命。35億年前的一群古微生物聚集在一起生長、死亡后，殘留下來的礦物質(zhì)膠結(jié)而成的疊層石，是目前可以直接觀察到的最早的生命起源痕跡。

米勒實驗就是最好的證據(jù)：在玻璃容器中加入水、二氧化碳、氨氣、二氧化硫等氣體，一邊加熱水，一邊給這些氣體通電，最終冷凝管中發(fā)現(xiàn)了氨基酸?，F(xiàn)在更多的實驗證明在地球歷史環(huán)境中無機(jī)物可以合成多種多樣的小分子有機(jī)物，其中包括各種氨基酸、糖類、脂類，以及核苷酸——核苷酸是構(gòu)成遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)。這些實驗支持了生命的化學(xué)進(jìn)化論——生命是由無機(jī)物通過化學(xué)反應(yīng)形成的。

在化學(xué)進(jìn)化論的理論下，

米勒實驗示意圖

地球生命形成的條件就是：液態(tài)水、海底火山活動、時間。而這些條件火星完全具備。

火星與地球幾乎同時形成，遠(yuǎn)古火星存在大量地表水。遠(yuǎn)古火星上的火山也曾極其活躍。從地球經(jīng)驗看，從45億年前到35億年前，10億年間生命就演化出來了;要是考慮39億年前的晚期重轟炸事件，那么地球在短短4億年間，就演化出了生命?；鹦堑乇硭顒訌?1億年前到35億年前有6億年，地下水則持續(xù)到25億年前有16億年的時間，完全足夠生命從無到有地演化出來。

所以從硬件條件來說火星上有生命是大概率事件。現(xiàn)在問題就是我們的探測器什么時候能夠發(fā)現(xiàn)它們。

三、 探測火星難嗎？

1. 歷史成功率低

為了更好地研究火星，各國紛紛向火星發(fā)射探測器。數(shù)據(jù)顯示，從1960年以來，人類火星探測成功率只有50%，對比金星探測77%和月球探測76%的成功率就可以知道火星探測有多難了。即使敗多成少，但人類依然對火星興趣不減。

火星公轉(zhuǎn)周期為678個地球日，大約每隔26個月就有一次火星沖日，這時地球與火星的距離縮短到不足1億千米，而在火星發(fā)生大沖時，這個距離為5500萬千米。距離近消耗燃料少，因此火星探測活動也會每隔26個月出現(xiàn)一次高潮。2020年7月下旬至8月上旬是本輪的火星發(fā)射窗口，7月20日，阿聯(lián)酋的火星探測器“希望”號成功發(fā)射，7月30日，美國也有一個火星探測器發(fā)射升空。

2. 火箭發(fā)射要求高

地火轉(zhuǎn)移軌道示意圖

為了將“天問一號”送入地火轉(zhuǎn)移軌道，“胖五”需要托舉火星探測器加速超過每秒11.2公里的第二宇宙速度。這也被稱為“逃逸速度”，航天器只有超過這個速度，才能完全擺脫地球引力，飛向太陽系內(nèi)的其他行星。這次是我國航天器首次超越第二宇宙速度，“胖五”飛出了中國運載火箭的新速度。

因為地球和火星的相對位置在不斷變化，發(fā)射時間不同軌道也不同，為了在“奔火”過程中節(jié)約燃料，科研人員為連續(xù)14天每天30分鐘的窗口期，每隔10分鐘就設(shè)計了一條不同的發(fā)射軌道，將軌道偏差控制在極小范圍內(nèi)。任務(wù)中，通過軟件還可以實現(xiàn)發(fā)射軌道的自動切換選擇。長征五號火箭總指揮王玨說，一次發(fā)射設(shè)計如此多的發(fā)射軌道，這在中國航天史上絕無僅有。

3. 延時長無法遠(yuǎn)程操作

由于火星距地球這么遙遠(yuǎn)，兩地最遠(yuǎn)時通信信號光速傳輸單程就需要22分鐘，這樣的通信延遲導(dǎo)致“天問一號”在大多數(shù)情況下無法實時遠(yuǎn)程操作，多數(shù)情況需要“天問一號”自行判斷和處理。

4. 深空探測難點多

“天問一號”的三個任務(wù)目標(biāo)是火星環(huán)繞、火星車著陸和巡視探測，每一步目標(biāo)都充滿了不確定性。

目標(biāo)一：火星環(huán)繞

從地球到達(dá)火星環(huán)繞軌道的難度相當(dāng)于從東京打一個高爾夫球正好落到巴黎的球洞中。探測器飛到火星需要6到11個月的時間（“天問一號”預(yù)計7個月），其間會受到多個天體的引力擾動，還會受到太陽風(fēng)、空間輻射的干擾。“天問一號”會通過內(nèi)置陀螺儀、天文導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航等多種系統(tǒng)確認(rèn)自身位置和姿態(tài)，同時與地面超算平臺計算的軌道進(jìn)行對比和調(diào)整。

而且火星引力范圍比地球小得多，高速飛行的“天問一號”明年2月到達(dá)火星軌道后還需要及時剎車，準(zhǔn)確進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道。這些步驟中有任何一步錯過，任務(wù)就會失敗，探測器將會迷失在宇宙中。

目標(biāo)二：火星著陸

中國火星探測器在火星表面示意圖

經(jīng)過2到3個月的火星環(huán)繞，“天問一號”將對火星上的著陸區(qū)有更細(xì)致的了解，按照計劃軌道器和著陸平臺將在明年4月分離，軌道器繼續(xù)在環(huán)繞軌道進(jìn)行空中探測，火星車和著陸平臺將降落在火星烏托邦平原。

火星著陸器需要在隔熱罩、降落傘、反沖發(fā)動機(jī)的通力合作下在8分鐘內(nèi)將速度從4.8km/h降到0。整個降落過程有超過一千個動作，全部需要“天問一號”自主完成。在距地面100米處，著陸平臺將短暫懸停對著陸地點障礙物做最后規(guī)避動作。如果計劃成功，中國將成為繼美國之后第二個實現(xiàn)漫游車在火星軟著陸的國家。

目標(biāo)三：火星巡視

著陸平臺成功降落后，這輛尚未命名的火星車將離開平臺，在火星上展開科學(xué)探測。

它將對火星進(jìn)行包括空間環(huán)境、氣候、表層環(huán)境和地下淺表層結(jié)構(gòu)等多項研究。240公斤重的火星車上搭載了六種科學(xué)儀器，包括攝像頭、探地雷達(dá)（GPR）、磁場探測器、大氣環(huán)境測試儀和光譜儀等。比如大氣環(huán)境測試儀可以獲取火星溫度、風(fēng)力等信息。磁場探測器有望獲得有關(guān)火星過去磁場的有價值的信息。探地雷達(dá)將有助于辨別出火星表面以下的某些地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

這些設(shè)備將幫助我們解答“火星上有生命嗎？”“人類可能移居火星嗎？”這些我們關(guān)心的問題?？梢哉f“天問一號”在火星上走出的每一小步都是中國行星探索走出的一大步！

從宏大的空間尺度來說地球只是宇宙中一顆渺小沙粒，而“天問一號”更是微不足道。從長遠(yuǎn)的時間尺度來說，我們終將走出地球，駛向星辰大海，“天問一號”只是其中的一個小節(jié)點。但是我們依然希望人們記得，開啟了中國行星探測歷史的“天問一號”。因為“天問”寄托著中華民族數(shù)千年前就開啟的問天夢想，承載了中國對科學(xué)真理追求的堅韌與執(zhí)著。