关于探火的12个小知识

备受瞩目的中国首次火星探测任务即将实施，中国航天人将再一次踏上征程，开启中国行星探测任务的新篇章。

我们针对伙伴们的关心的相关问题，整理了12个方面的内容，希望和大家一起加深对任务的理解和了解。

象征“揽星九天”的任务标识，展示了独特字母“C”的形象，汇聚了中国行星探测（China）、国际合作精神（Cooperation）、深空探测进入太空的能力（C3）等多重含义，展现出中国航天开放合作的理念。太阳系八大行星依次排开表达了宇宙的五彩缤纷，呈现科学发现的丰富多彩，饱含动感，气韵生动。

“天问一号”的代号，大家都很熟悉了，源于屈原长诗《天问》，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。

据介绍，大约每隔26个月，地球与火星将会运行至最有利实施霍曼轨道转移的相对位置，此时发射探测器将节省大量燃料。2020年7月-8月15日是火星探测活动的“窗口期”，除了“天问一号”，美国“毅力号”和阿联酋“希望号”等多国火星探测器也将“同台竞技”奔向火星，其中阿联酋的探测器已经出发在路上了。

据介绍，中国火星探测器分为环绕器与着陆器两部分，预计将于今年7月由长征五号遥四火箭发射升空，2021年2月进入火星轨道。

天问一号分为轨道器、着陆器和巡视器组成，总重量约5吨，轨道器质量为3.175吨，巡视器则为240千克，尺寸：2.0 m×1.65 m×0.8 m，和一辆高尔夫球车差不多。分别完成火星探测和着陆巡视，将对火星土壤环境以及大气和水的分布与探测、火星生命的寻找，另外也将探测火星磁场与甲烷等与生命相关的关键信息。另外环绕火星探测的轨道器也将完成着陆车和地球之间担任中继通信任务。

“天问一号”探测火星轨道科普：

火星在地球轨道外侧，最近距离大约5500万千米，由于两者公转速度差异，因此每隔26个月会接近一次，此时叫做火星冲日，2020又是一次火星冲日年，时间是2020年10月13日，最近距离是0.4192天文单位，大约6000万千米左右（最近的距离是大冲，要到2035年9月11日）！

由于人类的火箭技术约束，发射探测器只能在火星冲日大约数月前发射，然后通过一个霍曼转移轨道，在轨道的顶点够着火星，然后减速进入火星轨道成为火星的一颗卫星！科技人员需要不断修正探测器的飞行方向，使其进入环火椭圆轨道，随后进行降轨控制，释放着陆巡视器组合体。

关于“天问一号”探测任务时延问题：

火星探测器的最远通信距离约4亿公里，是地月距离的900多倍，按光速30万公里／秒的速度计算，与地面测控站的往返“对话”一次需要40多分钟，而且传递的“声音”将会非常的微弱。火星探测器距离远，信号往返于地球和火星之间的时延太长；另外，时延的主要来源是遥操作控制回路中的信号传输时延、接收站或者中继卫星等设备间的数据处理时延及计算时延等，如地球轨道遥操作的回路时延大约为0.5-6秒，月球遥操作中的回路时延一般在10秒以上，而火星探测器的回路时延至少达到几分钟至十几分钟。由于时延的存在，操作者无法及时感知航天器的运动状态，所发出的控制指令也无法由航天器实时执行，由此将严重影响遥操作控制回路的稳定性和操作性能。

运用虚拟现实技术在控制端构建远程场景的虚拟环境，包括几何模型的场景构建、动力学模型的建立和参数识别等问题，利用远端测量信息对模型进行实时更新，不断完善本地的预测仿真环境，以此作为克服大时延，实现连续控制的重要手段。

另外，在大多数情况下，探测器主要得靠自主控制，独立完成帆板展开、对日定向、制动捕获、器器分离和故障诊断等功能。

关于“天问一号”环绕器有效载荷分布：

火星大气电离层分析及行星际环境探测：火星磁强记、火星离子与中性离子分析仪、火星能量粒子分析仪。

火星表面和地下水冰探测：环绕器次表层探测雷达。

火星土壤类型分布和结构探测：环绕器次表层探测雷达、火星矿物光谱分析仪、中分辨率相机。

火星地形地貌特征及其变化探测：中分辨率相机、高分辨率相机。

火星车探测任务配套科学仪器：

火星巡视区形貌探测：导航地形相机。

火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探测：多光谱相机、火星表面成分探测仪。

巡视区剖面土壤结构探测和水冰探测：次表层探测雷达。

巡视区大气物理特征与表面环境探测：火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪。

中国科学院院士、中国航天科技集团科技委主任包为民介绍，我国首次火星探测任务称得上是“弯道超车”，如果能一次性完成“绕落巡”三步走，这一跨越式方案将成为全球首次，进一步缩短我国与美国、俄罗斯等在深空探测技术方面的差距。中国首次火星探测任务设定了五大科学目标，主要涉及空间环境、形貌特征、表层结构等研究。为此，火星探测器搭载13种有效载荷。火星车携带的大气环境测试仪可以获取火星温度、风力等信息，让人们直观了解火星和地球环境的异同。

奔向火星的过程中，最大难点在于“恐怖7分钟”：再入、下降与着陆要在7分钟内将探测器的时速从20000千米降低到0。远距离数据传输、火星光照强度、火星车能源供给等因素使得首次火星探测任务更具难度和复杂性。

关于“天问一号”的介绍就到这里，下面让我们来了解下本次任务的目的地——火星。

火星在我国古代被称作“荧惑”（因为行踪不定），英文名Mars起源于罗马的战争之神，火星的赤道直径为6792公里，质量大约是地球的10.7％，轨道周期687天（1.9倍地球年），表面温度：-153至20°C。火星的大气层主要由稀薄的二氧化碳构成，由于火星表面覆盖的岩石和灰尘含有丰富的赤铁矿（氧化铁），所以呈现出红色外观。

火星与地球、水星、金星共同称为类地行星。地球是太阳系中距离太阳由近到远的第三颗行星，火星是第四颗行星。正因为两者相邻和相似，人类自古便对火星充满了各种好奇和遐想。很久之前，古人在夜空中发现了它并逐渐对它展开了观察与研究。

火星有两个卫星，它们的分别是以阿瑞斯之子命名的火卫一和火卫一。

火卫一有一个神奇的地方在于，它绕火星转一圈所用时间是太阳系所有卫星与其围绕转的行星中最短的，由于火星本身就小，所以火卫一绕火星旋转一圈只需要七个小时39分，这比火星自己自转时间还短，如果你在火星上看，月亮可能从西方出现在东方落下。

火卫二的公转时间也就是30小时18分，这样算下它一起一落需要差不多两天。火星这两颗卫星的起源最流行的理论是他曾经是小行星带的一部分，有一天木星的巨大引力将它们驱赶出来，这时候正好火星捕获它们，火卫一距离火星只有6000千米，每年以2米的速度向火星接近，通俗点说就是在50万年到100万年内，火星可能靠引力扯碎火卫一，变成一个超级美的火星环。

火星的体积是地球的六分之一，质量是地球的百分之十一，表面积相当于地球的陆地面积，密度则比其他三颗类地行星小很多。火星上的地貌与地球上的荒漠地貌相似，砂砾遍布，加上其橘红色的外表（因为被氧化铁覆盖），又称沙漠行星。火星的地形与地球相似，也有高山、平原和峡谷，其中还有太阳系已知最高的山脉奥林帕斯山，奥林匹斯山是太阳系中已知最高的山峰，是一座盾状火山，高度达21229米，直径600公里。根据火山熔岩判断，这座火山仍然是一座活跃的火山。

2015年，“好奇号”火星探测器拍下第一张火星彩色日落照，这让人们惊讶地发现，原来，在火星上，夕阳是蓝色的。

美国宇航局表示，这是由于火星大气层的尘埃颗粒较小，散射蓝光的能力强于长波颜色（如黄色、橙色、红色）。

事实是，如果你被突然“裸体”传送到火星，没有穿太空服，也就是没有任何的保护措施。在前十分钟内，有九分半的时间，你根本不会怎么样？因为在刚过去的前“三十秒”，你就已经差不多“挂了”。

从最早一次失败尝试，即1960年10月10日苏联发射第一颗探测器“火星1A”号，一直到最近一次成功登陆，即2018年11月26日美国“洞察”着陆器，人类共执行过44次火星探测任务，包含56个探测器任务。成功和部分成功的任务23次，完全成功率只有43%。其余的为什么是部分成功？全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩在接受科技日报记者采访时解释说：“如前苏联‘火星3号’探测器，在降落火星后只发回20秒信号就失联了，有专家说成功，也有人说不成功。”

迄今为止成功登陆的探测器只有8个：“海盗”“海盗”2、“探路者”“机遇”“勇气”“凤凰”“好奇”“洞察”。

曲折的探测火星飞行器发射历程

1)前苏联俄罗斯

1960-1964年,前苏联发射了“火星探测器”系列，全部失败。在1962-1974年间执行了“火星号”系列探测计划，其中，1962年11月发射的“火星1号”探测器是人类首次成功接近火星的飞行，揭开了人类探测火星的序幕。1971年5月19日发射的“火星3号”探测器于当年12月2日首次成功实现火星表面软着陆，但着陆后很快与地球通讯中断，1973年7月21日发射的“火星4号”掠过火星时传回了不多的几幅图像。1973年8月5日发射的“火星5号”在1974年2月2日进入火星轨道，环绕火星轨道飞行数天，“火星6号”和“火星7号”探测器在火星着陆。1988年发射了两个“火卫”探测器，1996年年发射了“火星96”，但遗憾的是都未能返回科学数据。

2)美国

美国于1964-1972年发射了“水手号（Mariner）”系列探测器，其中“水手4号”于1969年7月15日返回了22张火星近距离的照片。1969年,“水手5号”和“水手6号”再次掠过火星，它们拍摄了200多幅照片。“水手7号”也发回126张照片。1972年,“水手9号”探测器沿火星外层空间轨道飞行，发回7329张照片。1964-1972年发射了“火星号”系列探测器和“宇宙号”系列，并于1975年实现了“海盗（Viking）”1、2号探测器在火星表面成功软着陆的壮举。“海盗”1 、2号在火星大气中发现了N2 ，这对生物的形成有重要意义。

美国于1992年发射“火星观察者（Mars Observer）”探测器，该探测器在预计入轨的前三天与地面联系中断。经过4年技术改进后，于1996年11月6日成功发射了“火星全球勘测者（Mars Global Surveyor）”探测器。MGS探测器于1997年12月12日进入火星的太阳同步轨道，传回的数据显示火星两极存在大量的冰，预示着生命存在的可能性。1996年12月4日美国成功发射了“火星探路者（Mars Path Finder）”探测器，1997年7月4日到达火星。其携带的“旅居者”漫游车设计寿命是7个火星日，实际工作了两个多月，并发回了16550张彩照、15份火星土壤和岩石化学成分分析结果及大量的气候、风力、风向等测量数据。美国在1998年和1999年发射“火星气候轨道器（Mars Climate Oribiter）”和“火星极地着陆器（Mars Polar Region Lander）”探测器失败。2001年4月7日成功地发射了“火星奥德赛（Mars Odyssey）”探测器。2002年，“奥德赛”探测器发现火星表面和近地表层中可能有丰富的冰冻水，但这一结论仍存在争议。

美国“勇气号（Spriit）”和“机遇号（Opportunity）”火星车分别于2003年6月10日和6月25日发射，2004年1月着陆在火星表面，实现了火星漫游，并完成了90个火星日的工作。2005年8月13日，美国发射“火星勘测轨道器（Mars Reconnaissance Oribiter）”，2006年3月抵达火星。MRO拍摄了清晰的火星地表照片，同时动用探地雷达寻找地下水，为以后的探测行动挑选安全和有科学价值的着陆地点。2007年8月，美国成功发射“凤凰号（Phoenix）”着陆器，于2008年5月底着陆火星北极圈附近，进行了采样就地分析等探测活动。

美国于2012年8月着陆的“火星科学实验室（Mars Science Laboratory，MSL）”“好奇号”采用的“空中吊车”着陆技术震撼了全世界，标志着美国探测技术达到了新高度。最大的科研成果就是确定火星的过去，至少适宜微生物的生存演化。

2014年9月22日，美国的“火星大气与挥发演化任务探测器（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission Probe）”到达火星，研究其大气散失的原因和过程，揭示火星气候演化过程。以便了解火星大气、气候、液态水和宜居性的历史。

2018年11月26日，美国“洞察号”抵达火星，是人类首次专门探测火星地下结构，目前已探测到类似地球地震的火震现象。通过探测火星内部动向，有助于绘制火星内部结构第一张详细地图。

3)其它国家

日本于1998年发射了“希望号（Nozomi）”火星探测器,原计划1999年10月到达。由于推进器出现故障推迟了到达火星的时间，2003年6月进入了将与火星碰撞的轨道，虽然在2003年12月通过变轨成功改变了其行进路线，使之不会撞击火星，但“希望号”最终远离火星进入绕日轨道，探测行动失败。

2014年9月24日，印度成功实施了“曼加里安”任务，掌握了环绕探测技术，用于探测火星地表、大气、地质矿物等，印度成为亚洲第一个成功实现火星环绕探测的国家。

2003年6月2日，欧空局“火星快车（Mars Express）”探测器发射升空，它携带的“猎兔犬2号”登陆器于2003年12月25日凌晨登陆火星，但“猎兔犬号2号”在登陆火星后失去联系。

2016年10月19日，由欧空局和俄罗斯联合研制的“探索火星生命微量气体轨道器（Mars Great Exploration Mars Life Trace Gas Orbiter）”成功到达火星，通过探测火星大气甲烷等其他微量气体，寻找火星生命存在的迹象。

我国第一颗火星探测器：萤火一号，在2011年11月8号搭乘俄罗斯福布斯－土壤号火星探测器发射，11月9号俄方宣布该探测器变轨失败。

让我们期待“天问一号”搭乘中国的“胖五”火箭，顺利脱离地球的引力束缚，驶向我们依然知之甚少的火星，让中国的行星探测任务再一次成为航天奇迹、中国奇迹。

（作者：刘春明、史佳乐）