来源：中国数字科技馆
7月23日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器由长征五号遥四运载火箭成功在中国文昌航天发射场发射升空，正式开启了中国的火星探测之旅。探测器究竟如何抵达火星？将执行哪些重大任务？此次探火之旅将面临哪些挑战？针对这些问题，我们特邀请中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师钱航专门解答。
“天问一号”任务火星探测器究竟如何到达火星？
“天问一号”火星探测器外观图“天问一号”探测器飞向火星后如何安全着陆？
长征五号遥四运载火箭提供的发射能量是探测器飞往火星的主要能量来源。“天问一号”探测器发射约5~6小时后，将穿越地球磁层顶，进入行星际空间，开始漫长的约7个月奔向火星的飞行过程，即地-火转移过程。期间还要经过中途修正，修正轨道偏差。
在靠近火星附近时，探测器将实施制动，实现被火星的引力场所捕获，进入周期约10个火星日的环火椭圆轨道，再择机实施轨道机动，进入周期约两个火星日的椭圆停泊轨道。完成着陆区预先探测和着陆点调整后，将择机释放着陆巡视器。环绕器随即进行轨道调整，进入中继通信轨道。
着陆巡视器与环绕器分离后，进入火星大气，将通过气动外形、降落伞、反推发动机等多级减速和着陆腿缓冲，软着陆于火星表面。最终巡视器与承载平台分离，在火星表面开展巡视科学探测。
“天问一号”探测器在飞行和着陆过程中将面临哪些挑战？
首先，火星探测器飞行距离远，最远距离地球4亿公里；飞行时间长，地火转移飞行约10个月，环火探测约两年；同时受地球、火星、探测器相对运动和地面站分布的影响，测控通信难以全空间覆盖。
其次，在环火探测中会经历两次日凌，通信中断最长达到30天；测控信号传输时延大，最短超过3分钟，最长达23分钟，特别是执行近火捕获、两器分离等决定任务成败且只有一次机会的轨道控制时，探测器距离地球约3亿公里，信号时延15分钟以上，由地面进行实时测控干预的条件已不存在，探测器必须自主执行预先注入的指令，并自行判断指令执行的效果，一旦发现问题，必须在极短时间内根据自测量信息，进行自诊断，并完成故障的自恢复，对探测器自主导航、管理与控制的能力提出了更高要求。
为此，科学家开展了火星安全捕获制动控制、两器分离与安全升轨控制、长期自主管理和控制策略与方法等专题研究和验证，以提升探测器的自主能力。
科学家为“天问一号”探测器专门采取了哪些技术保障措施？
为了保证着陆巡视器能安全、平稳地着陆在火星上，科学家为其设计了四个关键步骤：
第一步，气动外形减速。使其在进入火星稀薄的大气时，能产生足够大的阻力，并且不会翻车、乱撞、倒向飞行。
第二步，降落伞减速。着陆巡视器配备了一个全自动的降落伞，在减速到一定程度时，它会自动打开。
第三步，动力减速。着陆巡视器携带的发动机会在合适的时机在运动的反方向启动，对其自身产生反推力，从而达到减速的目的。
第四步，当运行到距离火星表面米左右时，着陆巡视器的速度要减到相对为零，进入悬停状态，利用探测器所携带的相关仪器设备，对下方的着陆区进行选择，尽量寻找一个相对安全的地方着陆下去。到了距离火星表面一两米的时候，着陆巡视器会启动一个着陆反冲装置，俗称“着陆腿”，靠它来降低其着陆时产生的振动力。
“天问一号”此次将重点执行哪些火星探测任务？
“天问一号”火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成，总重量达5吨左右。环绕器配置了中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪共7台科学载荷，将对火星开展全球性、普查性探测。主要任务是，发现火星当前的生命，评估整个火星表面的环境。与火星飞行器联合产生火星表面的地形图，其中包括土壤的特征、物质组成等一些其他的科学数据。
着陆巡视器由进入舱和火星车组成，进入舱将完成火星进入、下降、着陆任务；火星车配置了多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机共6台科学载荷，将在着陆区开展巡视探测。（作者：钱航）
火星探测与月球探测究竟有什么不同？
火星探测与月球探测有哪些相似点？
人类探测火星的方式与探测月球的方式基本相似，包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测等五种。其中采用环绕探测方式可以对火星进行整体普查甚至是全球勘测；采用着陆探测和巡视探测方式可以对火星进行区域性详查；采用采样返回探测和载人登陆探测方式可以对火星进行区域性精查。但技术难度依次递增，越来越大。所以一般都采用循序渐进的方式，先进行环绕探测，然后进行着陆探测、巡视探测、采样返回探测，最终进行载人登陆探测等。
图为嫦娥四号着陆器目前，人类在探月的历程中，这些探测方式都采用过，但每次发射基本上只采用其中的一两种探测方式。与月球探测相比，由于火星距地球的距离比月球距地球的距离遥远得多，探测火星的难度也比探测月球的难度大得多，因此，至今人类对火星的探测只采用过环绕探测、着陆探测、巡视探测方式，未来的目标是对火星进行采样返回探测和载人登陆探测，但难度、投资和风险都将很大。目前，只有美国的海盗1号和海盗2号火星探测器成功实现了通过一次发射完成环绕探测和着陆探测。欧洲曾两次进行类似的火星探测活动，但都只完成了环绕探测，而着陆探测均告失败。
“天问一号”完成“绕、着、巡”演示效我国首次发射的“天问一号”任务火星探测器，计划史无前例地通过一次发射完成火星环绕、着陆和巡视三项任务，起点很高，同时也具有很大的挑战性。首次火星探测任务目标是获取最新的火星探测成果，深化人类对火星乃至太阳系的科学认知，推进比较行星学等重大问题研究。
火星探测与月球探测有哪些不同点？
对月球及更远的天体或空间开展的探测活动普遍认为是深空探测。同是深空探测任务，火星与月球环境差异显著，这些差异给火星探测器发射任务的设计要求带来了质的变化，为适应这些特殊变化，需要相关关键技术。
“天问一号”着陆巡视器外观效果图火星与月球探测器发射的差异主要表现在目标天体运动规律不同。月球是地球的天然卫星，主要在地球的引力作用下绕地球公转，而火星是行星，与地球同在太阳的引力作用下绕太阳公转。这种差异对发射任务轨道设计的要求截然不同，比如在发射窗口方面，理论上月球探测每个月都有发射机会，而火星探测每26个月才出现一次发射机会（此时地球与火星处于相对较近位置），对整个任务的总体设计、可靠性设计、计划管理等方面提出了更高的要求。
火星探测任务约束条件和设计状态复杂，运载能力、发射窗口、测控通信能力等总体指标与发射能量、近火制动能量、射向、航落区安全、中继轨道、任务轨道、着陆时机、有效载荷工作模式、科学探测数据量等关键因素密切耦合，是典型的非线性、多目标问题，需要多系统密切配合，通过开展发射轨道与飞行轨道一体化设计、可靠发射等专题研究，进行综合权衡与优化，保证各项总体指标协调匹配、总体最优。
年我国有两项对地外天体的重大探测活动：执行首次火星探测任务的“天问一号”和首次月球采样返回任务的“嫦娥五号”。由于对运载能力的高要求，这两项发射任务均由我国现役最大的运载火箭——长征五号担纲发射主角。新一代大型运载火箭长征五号，大幅度提升了我国自主进入空间的能力，达到近地轨道（LEO）运载能力25吨级、地球同步转移轨道(GTO)运载能力14吨级。为实施载人航天空间站工程、探月工程三期、探火工程等重大航天工程项目提供了高性能运载工具。（作者：钱航）
为什么火星探测这么难！
一直以来，火星作为离地球最近的行星，都是各国探测的重点对象，从上世纪60年代开始，人类共实施了44次火星探测项目（加上近日阿联酋和中国此次火星探测，共46次），但成功率只有五成左右。可见，在人类目前所开展的众多太空任务中，火星探测确实是艰难的挑战。
那么，是什么阻碍了人类探索火星的步伐呢？
首当其冲的就是火星探测窗口期的存在。我们所处的地球与火星之间的距离并不是一成不变的，两者时近时远，大概每隔26个月就会迎来探测器的最佳发射时期。此时的地球和火星之间的距离缩短，能大大降低燃料消耗和飞行成本，有效提高发射成功率。本次“天问一号”探测器的发射就选在了这“得天独厚”的好时期。然而即便如此，飞行过程也要经历近7个月，因为火星虽然与地球相邻，但两者之间的距离非常遥远，即使最近的时候也有万公里。如此遥远的距离给火星探测器的发射带来了第一项挑战，那就是远距离下如何保证信号的传输。
除了信号的衰减，远距离还给运载系统的推力带来了考验。要想成功将探测器送到火星，就需要充足的动力。人类目前所研制掌握的火箭要想一次性完成这些目标并不现实，根据此次发射任务要求，长征五号遥四火箭将托举探测器加速到超过11.2千米每秒的速度。每秒11.2千米的第二宇宙速度也被称为“逃逸速度”，当火箭达到这一速度后就可以完全摆脱地球引力，去往太阳系内的其他行星或者小行星。在这之后完成分离，直接将探测器送入地火转移轨道，开启奔向火星的旅程。“天问一号”任务是长征五号火箭第一次达到并超过第二宇宙速度，飞出了我国运载火箭的最快速度。
即使火星探测器发射成功后，依旧面临着“步步惊心”的境况。
首先，火星探测器将在“近火星点”实施制动，被火星的引力场捕获后进入环火椭圆轨道，探测器择机实施降轨机动后，环绕器与着陆巡视器分离。第二步，着陆巡视器将奔向火星，进入再入、下降与着陆过程。在此过程中，着陆巡视器需要在7分钟内把速度从每秒多米降至0。第三步，借助降落伞减速后，着陆巡视器将自主完成减速、悬停，避开火星表面复杂地形后缓缓降落到火星表面，在接受火星表面严酷环境挑战的同时，完成科学探测任务。
此外，火星的环境给这一环节也带来了诸多挑战。首先，火星的大气层气体非常稀薄，大约为地球的1%。当火星探测器进入火星大气层时，速度可以达到2万千米/小时，探测器将会与大气发生剧烈的摩擦，散发出大量的热。但是从进入大气层到落地的时间仅有7分钟，而火星探测器需要在这短短的时间里完成如气动减速、降落伞减速和反推等一系列操作，稍有不慎，便会坠毁。其次，火星表面沟壑纵横，砂砾遍布，这样的地表环境给着陆点的选择和火星车的路径规划带来了一定的挑战。并且由于长期风化，缺乏温室效应，又导致火星不同区域气压差很大，进一步导致火星表面风力强劲，经常出现沙尘暴。如此恶劣的条件给火星观测任务的开展造成了极大的困难。
对本次“天问一号”任务来说，探测火星的难度远不止如此。一方面火星探测的客观因素使得本次任务面临诸多挑战，另一方面我国在火星探测方面的研究也面临诸多检验。但是，在众多航天工作者的共同努力下，“天问一号”探测器扛住了考验，“过五关斩六将”，一次性完成“绕、落、巡”三项任务，这在人类火星探测历史上是罕见的。这不仅是对“天问一号”的考验时刻，亦是中国航天的“高光时刻”。
作为太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星之一，开展火星探测不仅有助于探究火星生命的存在和演化过程等问题，更可借此了解地球的演化历史，预测地球的未来变化趋势，同时也为人类开辟新的生存空间寻找潜在目标。相信“天问一号”此次任务必将圆满完成，未来我们可以更加直观地观察火星、认识火星。（作者：程方洁）
参考来源：中国青年报、中国新闻网
中国首辆火星车亮相，你真的了解火星车吗？
随着“天问一号”任务火星探测器的成功发射，继“玉兔号”月球车后，我国又一辆自主研制的火星车即将上岗工作。
玉兔月球车为什么有了探测器后还要火星车呢？这是因为探测器是无法在火星上自由活动的，能够探测考察的范围有限，所以专门制造了更加灵活自如的火星车。
火星车也是一辆车，但它并不能人为手动驾驶，它是一辆在火星表面行驶的自动行走装置，能够对火星表面的土壤进行物理力学性质和化学成分分析。此外，我们还能通过火星车开展多种科学研究，例如研究火星某区域的地形、地质和形态特征，研究火星表面的辐射和环境状况，沿移动轨迹获取火星表面图像信息等，从而寻找到最有价值的考察地点，扩大样品的搜集范围，提供更多更有价值的研究资料。
火星的自然环境与地球最为相似，形成时间也接近，组成结构也大致相同，都有核、幔、壳。两者还有着相似的自转周期，并且火星也有四季变化。火星表面呈红色的主要原因之一是火星的土壤富含氧化铁，仿佛是土壤生了锈，而这种土壤是在风与水的双重侵蚀作用下才会产生的。由此可推测，火星上曾经存在过大量的水和大气，为生命的出现提供了可能。火星车的重要作用之一就是能够对火星表面的土壤进行分析，因此将在探索火星是否存在生命方面发挥极大的作用。
美国“好奇”号火星车模拟图人类发送的火星探测器虽然很多，但失败率很高，能成功着陆并运行的火星车数量十分稀少。目前能够发挥作用的火星车只有年的“旅居者号”，年的“勇气号”和“机遇号”，年的“好奇号”。此次“天问一号”火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成。火星探测器环绕火星飞行数月后，环绕器和着陆巡视器将分离，着陆巡视器会在火星表面着陆。而着陆巡视器正是由进入舱和火星车构成的。
“天问一号”任务火星探测器携带的火星车究竟长什么样呢？
火星车高1.85米，重量大约公斤。竖立在前方桅杆顶端的方形设备就是它的“眼睛”，这是火星车的全景相机，它的多光谱有好几个谱段，能识别前方的矿物质成分，所以“视力”非常好，能清晰地看到前面的地形地貌，还能帮助火星车避开路上的障碍，稳步行驶，顺利开展探测工作。
火星车的肚子旁还装有4个“大翅膀”，但是它并不能飞，这4个“翅膀”是太阳能的电池板，专门为火星车运行提供能源。它比“玉兔号”月球车多了一对“翅膀”，是因为火星相比月球离太阳更远，表面的大气对阳光也有消减作用，因此多安装一对“翅膀”，避免火星车出现因能源不足而“罢工”的情况。
火星车的尾部则是用来和地球取得联系的机器设备，通过设备能够获得动作指令，还能够通过它将在火星上探寻到的珍贵资料回传到地球，完成信息对接。火星车上共搭载了6种有效载荷，包括地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪，为完成火星表面巡视探测科学任务做了充分的准备。其中次表层探测雷达是一种基于火星车平台的高分辨率次表层地质结构探测雷达，如同“透视眼”一般，能够“看到”火星地表以下10米甚至米深度的火星内部结构，可以探测巡视区表面土壤厚度、冰层结构，获取火星地表和次表层超宽带全极化回波数据，还可以探测巡视区次表层结构，获取次表层地质结构数据。
火星车采用了多种高科技材料，在火星上的行驶速度为米/小时，它的设计寿命为三个火星月，相当于能够运行92个地球日。相信火星车成功着陆后，能为我们解答更多的火星秘密提供线索。
7月24日，我国第一辆火星车全球征名活动正式开启。你希望我们的第一辆火星车叫什么名字呢？快来一起为它取名吧！（作者：郑玉婷）
科学性把关：中国航天科技集团型号设计师钱航
参考来源：《十万个为什么天文第6版》、《飞跃神秘的外太空》、中国青年报、中国新闻网、光明网、新华网