7月23日，由中國空間技術研究院自主研製的火星探測器「天問一號」，在海南文昌航天發射場順利升空，備受矚目的中國首次火星探測計劃拉開序幕。計劃經過200多天的旅行後著陸火星，一切順利的話，中國將成為繼美國和蘇聯之後，第三個在火星上運行航天器的國家。

 

「天問一號」的厲害之處

中國的火星探測器「天問一號」分為環繞器與著陸巡視器兩部分，由長征五號火箭發射至地火轉移軌道，隨後在地面測控系統的支援下，通過多次軌道機動和中途修正，在近火點實施制動，進入環火橢圓軌道，運行到選定的進入窗口，探測器將進行降軌控制，釋放著陸巡視器。

 

著陸巡視器進入火星大氣後，通過氣動外形、降落傘、反推發動機等多級減速和著陸腿緩衝，火星車（即巡視器）和著陸平台分離後，將開展區域巡視探測，並開展火星全球性和綜合性探測，對火星表面重點地區作精細巡視勘查。而環繞器作為火、地聯繫的中繼站，將在著陸巡視器分離後，數次調整軌道，為火星車提供中繼通信鏈路，並開展環繞科學探測。

首飛即實現火星環繞、著陸和巡視探測的「三步並走」，才是在中國此次「天問之旅」的犀利之處。

 

密集的火星發射計畫

人類進擊火星的嘗試由蘇聯在1960年開啟，六十年來，共計45次發射，19次成功。對於中國的火星探索計劃筆者關注已久，其實早在2011年，中國就有了首次火星探索計劃「螢火一號」，當時是搭載俄羅斯的「天頂號」運載火箭，在哈薩克拜科努爾發射場點火發射，不過也許是改錯了名，很遺憾由於火箭的變軌失敗，探測器沒有進入預定軌道，計劃失敗了，「螢火一號」如螢火般消失於茫茫太空。

今年除中國發射火星探測器，原本還有三個國家有火星探索計劃。分別是：美國國家航空航天局（NASA）在7月30日至8月15日期間發射「毅力」號火星車，它將降落在火星表面的Jezero隕石坑，一個被科學家描述為尋找微生物生命跡象目標的巨大盆地；以歐洲和俄羅斯合作的「外火星」計劃；以及阿拉伯聯合大公國的「希望號」火星探索任務。

阿聯酋的「希望號」是由日本負責發射， 7月20日在種子島航天中心順利升空，「希望號」沒有火星著陸計劃，相較「天問一號」操作要簡單些。歐洲和俄羅斯原定於今年7月或8月進行的「外火星」任務，由於3月時其新型降落系統還有問題，無法趕及在7月前趕及修改設計及測試，已經推遲到2022年了。目前，美國的「毅力號」還在擇機待發(註：「毅力號」已於7月30日發射)，但願能順利升空，同「天問一號」做伴。

 

發射火星探測器的三要素

有網友問，中國在第一次火星探索計劃失敗後，為什麼要等這麼久，才選擇在今年重啟？這就不得不提到下面的三個因素：

 

第一—視窗期

人類飛往火星這一深空目標，一般都要選擇最近的路線，因為飛船在太空中，會受到地球，火星，太陽等各個天體的引力影響。就是說，路線越短，受到別的天體影響越小，越容易發射成功。由於地球和火星相對太陽位置不同，二者的軌道周期、長短完全不同，地球是365天，火星是687天。它們存在一個約780天的會合周期。每到這一刻，火星和地球的相對位置最小，可以允許人類在現有技術下實現一次火星探測。

上一個火星探測時間視窗是2018年的5月份，當時全世界只有一個航天器出發前往火星。就是美國NASA的「洞察號(Insight)」火星著陸器，它沿用了「鳳凰號」火星著陸器的平台，實現火星登陸，它的主要目標任務是攜帶各類土壤和地下探測設備，全面解析火星土壤和內部結構隱藏的秘密。

而兩年零一個月後的2020年7月，正好是又一個火星探測的最佳視窗期(編按：即火星衝)，所以各個國家都選擇在今年這個時候飛往火星。

 

第二—經濟性

從中國公佈的火星探索計劃來看，整個飛行需要200多天的時間，以現在人類的航天水準來說，探測器搭載不了太多的燃料。所以除了選擇最佳視窗期以外，選擇一條能耗最低的路線，比選擇距離最短的路線更為重要。

 

經過科學家們的計算，最佳的軌道只有一條，就是外切於地球公轉軌道，同時內切于火星公轉軌道的橢圓軌道，這條軌道是奧地利科學家霍曼在1925年提出來，因此也被稱為「霍曼軌道」。這條軌道雖然使得探測器從地球到達火星的時間延長至259天，在時間和路程上做出了犧牲，但確實是一條「性價比最高」的軌道。探測器飛近火星後，經過兩次在軌變速，就能從能量較低的軌道進入能量更高的軌道。所以，「天問一號」到達火星，將是明年春節以後的事情。

如果看過科幻小說家劉慈欣的作品《三體》，其中在第二部《黑暗森林》，描述中國太空軍在探討宇宙航行動力的推進方式時，採取的就是「霍曼軌道」飛行。好萊塢的科幻電影《星際穿越》中，利用大黑洞的引力彈弓效應借力飛行，其本質上也是利用「霍曼軌道」的原理。

 

第三——載具問題

在具備上述兩個條件後，還有完成這次火星探索計劃的最後一環——載具。毫無疑問，最新的「長征五號」大推力運載火箭（網上昵稱：胖五）將是把「天問一號」送進這個軌道的最佳選擇。

 

2011年中國之所以選擇俄羅斯的火箭來搭載「螢火一號」，就是因為當時的中國，缺乏能進行深空探索的大推力火箭。今年初，「長征五號」運載火箭發射成功後，使得中國終於擁有了自己進行深空探索的利器，這就是「胖五」試飛成功後，令中國的航天人激動萬分的原因。從試射成功到首次執行發射任務，僅用短短的半年時間，令人驚歎。

現在，「天問一號」已如期升空，開始了漫長的太空旅程，希望中國這次的火星探索計劃一切順利。明年春暖花開之時，我們將收到來自火星的問候。

「天問一號」正大步流星走向國人的目標——星辰大海！