“天問一號” 由軌道器、著陸器、巡視器三個部分組成，總質(zhì)量約5噸。

本次探測任務(wù)將一次性完成 “繞、落、巡” 三大任務(wù)，這也標志著我國行星探測的大幕正式拉開。

為什么要去火星：通向“建立人類第二家園”這個激動人心的未來的第一步

為什么很多學(xué)者認為火星人類太空移民的首選地。原因如下：

它與地球相對距離比較近；

它處于太陽系的“宜居帶”中；

火星曾經(jīng)具備非常宜居的行星環(huán)境；

它是太陽系內(nèi)跟地球環(huán)境最相似的行星；

火星擁有支持生命所需的所有資源。

移居火星的愿望怎么實現(xiàn)？

需要人類能大規(guī)模登陸火星；

往返于地球與火星之間的必要物資運輸；

學(xué)會如何有效的利用太陽能；

將火星本地的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可以利用的資源；

在火星建立適合居住的城市。

“未來人類需要有能力通過開發(fā)、改造與利用火星資源，形成新科技文明，讓人類實現(xiàn)在另一個星球的繁衍，成為多星球、跨星際的物種。”

“將火星改造成一個更適合居住的星球——人類的第二家園。”

“火星沖日”：每26個月才會出現(xiàn)一次的天文現(xiàn)象。

地球和火星處于在最近點的時間間隔為780天，就是約26個月

這一現(xiàn)象對于火星探測的意義：

在太陽系這個“操場”上，八大行星在各自的跑道上逆時針繞著太陽跑。

地球在第三跑道，火星在第四道，即便跟火星挨著跑道距離“不算遠”，也是到月球距離的140倍到1000倍。

地球的公轉(zhuǎn)周期是365天，火星的公轉(zhuǎn)周期是687天（也就是說火星上一年相當于地球上兩年的時間），二者會合周期是779.9天。由于行星公轉(zhuǎn)的非均勻性，可以說地球和火星處于在最近點的時間間隔為780天，就是約26個月，也就意味著一旦錯過發(fā)射窗口就需要再等兩年。

2020年是兩年一次的火星年，而今年的7月中旬~8月中旬則是最佳的 “火星探測窗口月” 。

今年10月14日將迎來 “火星沖日” 的天文學(xué)現(xiàn)象，也就是說到時火星、地球和太陽所處的軌道位置將能大致形成一條直線，火星和地球的距離也將相對最近（今年的距離大約是6700萬公里）。

當然，如果等到“火星沖日”之時再從地球發(fā)射探測器，等你幾個月飛過去，火星早已不在原地等你了。

所以考慮到我們與火星的距離以及地球和火星的公轉(zhuǎn)速度，最佳的發(fā)射時間是“火星沖日”之前兩個月左右，此時火星恰好處于地球前方約44°的相對位置。

因此，每隔26個月才會出現(xiàn)一個發(fā)射機遇期，每次時長約在一個月左右，這就是火星探測器的“發(fā)射窗口”。

阿聯(lián)酋“希望號”火星探測器前幾天剛剛升空，順利的話NASA的“毅力號”也將緊隨我國“天問一號”之后在七月底前后發(fā)射。

從軌道設(shè)計的角度，為了提高效率、節(jié)省燃料，火星探測器升空后將會進入所謂的“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”，這是一種相對簡單、經(jīng)濟穩(wěn)妥的經(jīng)典地火軌道轉(zhuǎn)移方式。

這樣火星探測器在途中只需要兩次引擎推進（但是每次還是要消耗不少燃料）就可以從地球軌道進入火星軌道，縮減燃料攜帶量。

即便如此，天問一號一大半的發(fā)射質(zhì)量都會被變軌需要的燃料質(zhì)量所占據(jù)，當然還包括減速制動進入火星軌道的燃料消耗。

探測火星為什么那么難：距離遙遠，燃料有限，火星環(huán)境不可控。

1964年“水手4號”火星探測器發(fā)射。

1965年回傳第一張火星表面照片。

50多年時間里，人類已對火星開展了大約50次探測，成功率也就一半左右。

探測火星的難度主要存在于在地球與火星之間距離遙遠，以及對火星環(huán)境的不可控性上。

相比地月距離，地球與火星的距離最遠時約為4億千米，最近時也有約5600萬千米。

火星探測器需要飛行200多天才能到達遙遠的火星。

距離遙遠，然而攜帶燃料有限。并且要精準地進入火星軌道。

火星探測有四種方式：飛略（未被火星捕獲）、火星環(huán)繞、著陸和巡視探測，即“繞”、“落”、“巡”

探測器從火星軌道飛掠（也就是不被火星引力俘獲），抓拍照片（早期的火星探測連抓拍都沒能實現(xiàn)，第一次還是1965年前蘇聯(lián)的水手四號實現(xiàn)了模糊抓拍）。

在火星軌道上繞飛，進行較遠距離的遙感探測的環(huán)繞器。

探測器實際降落到火星表面，開展火表就位探測和實驗（著陸器）。

能在火星上具備移動能力的巡視器（火星車）。

2016年1月批準立項的“天問一號”是我國首次自主執(zhí)行火星探測任務(wù)，計劃一步實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測（一次性實現(xiàn)“繞”、“落”、“巡”三大任務(wù)），獲取豐富、立體、多樣的火星探測科學(xué)數(shù)據(jù)，這在世界航天史上還沒有過先例。

即使我們有了“五戰(zhàn)五捷”的探月經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，也依然面臨著非常大的挑戰(zhàn)。

目前計劃：

探測器將于2021年2月11日前后進入環(huán)繞火星運行的軌道（期待牛年開局大戲）。

2021年4月23日（中國航天日前夕）通過著陸器降落火星車到火星表面，進行設(shè)計壽命90天的探索工作。

“天問一號”火星探測器進入太空后，整流罩中的“天問一號”火星探測器會與火箭“星箭分離”，先在地球附近加速，中途會進行必要的修正，進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道利用慣性保持飛行。

“天問一號”獨自飛向火星的孤獨之旅大概需要7個月的時間，在慣性飛行過程中不需要消耗燃料。

到達火星軌道時，探測器會擇機進行“剎車”制動，降低飛行速度進入火星引力場范圍，切入火星軌道，被火星捕獲。

這又是一個精準的操控過程：在切入火星軌道時，如果切入點離火星太近，探測器可能會墜毀；如果太遠，探測器可能無法被引力捕獲而掠過火星。本次火星探測任務(wù)需要實現(xiàn)的第一階段目標就是：環(huán)繞火星飛行。

環(huán)繞器就可以在任務(wù)軌道進行環(huán)繞探測了。

本次火星探測任務(wù)的第二個階段：火星軟著陸。

火星探測器需要將2萬多公里每小時的超高速，減到火星著陸時的零速度，整個過程需要在7分鐘內(nèi)完成，也被行內(nèi)稱為“恐怖7分鐘”。

在7分鐘內(nèi)，讓其速度在受控狀態(tài)下降為零。我們知道火星大氣密度卻只有地球的1%，并不利于降速。實現(xiàn)在火星上的安全著陸，是火星探測任務(wù)中技術(shù)難度最大、失敗率最高的環(huán)節(jié)。

地火距離遙遠，從地球發(fā)送到火星的單程無線電信號，單程延時超過20分鐘，一來一回就是一個小時，火星探測實時響應(yīng)無法實現(xiàn)，不可能依靠地球指揮著陸。

“天問一號” 任務(wù)計劃采用的減速方式將分為四個階段進行。第一個階段是氣動減速段，探測器先從運行軌道自由下落，與大氣層發(fā)生劇烈摩擦，等于踩下“急剎車”，在大約290秒內(nèi)將速度從4.8 km/s驟然降低到460 m/s。在經(jīng)歷大氣層的嚴酷考驗后，緊接著探測器打開降落傘緩緩降落，在大約90秒后，速度會降到進一步約95 m/s。隨后進入第三個階段—— 動力減速段，探測器的反推發(fā)動機開始工作，在80秒內(nèi)將速度降到3.6 m/s以下。當探測器距離火星表面約100 m高時，就進入了最后的著陸緩沖段，探測器準備開始懸停避障。此時探測器的速度已經(jīng)很慢了，探測器會自主觀察火星表面，快速計算出最佳著陸點。

最終它將水平移動到著陸點上方，伸出“四條腿”，并在穩(wěn)定著陸后展開舷梯釋放火星車。

火星地表沙塵暴非常暴烈，一旦發(fā)生全球性沙塵暴，破壞力是地球12級臺風(fēng)的6倍。

蘇聯(lián)的探測器就有遇到了沙塵暴而導(dǎo)致任務(wù)失敗?，F(xiàn)在只有美國軟著陸火星成功過，但失敗也同樣很多。

月球探測的難度跟火星探測相比，一個是渡江，一個是跨洋。

一切順利的話“天問一號”著陸巡視器將選擇合適時間軟著陸在火星表面的烏托邦平原，火星車從著陸器緩緩走下，開始巡視和科學(xué)探測任務(wù)。這是 “天問一號” 的一小步，也是中國行星探測的一大步。