在越来越多的国家争相探测深空的时代，中国的路线图透露了对深空探测意义的固有认识：并非为了移民外星，而是为了更好地认识地球本身，从而保护人类目前唯一的家园。
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新京报记者倪伟编辑陈思校对危卓
7月21日中午，海南海滨的文昌发射场上，昵称“胖五”的长征五号火箭迎来第四次发射。与它的前三次发射一样，在距离发射塔架数公里的海滩边，航天爱好者从全国各地赶来，等待点火时刻。
▲7月17日，发射天问一号的长征五号遥四火箭转运至发射区，整流罩上印着中国行星探测工程天问一号任务标识。图/国家航天局
长征五号是中国目前运载能力最大的火箭，也几乎是最年轻的长征火箭，它的每一次发射都是航天界的大事。尚在研制阶段时，未来的任务清单上就写满了“明星”项目：嫦娥五号月球采样、空间站组建、载人登月……
年下半年至今的4年间，历经跌宕起伏的前三次任务，长征五号“实习”结束，迎来首次应用性发射，正式开启“星辰大海”的征途。这次任务的目的地是火星，中国首次自主火星探测任务天问一号正式实施。
12时41分，长征五号点火升空，海边等待的人们看到了一条尾迹划出的弧线穿入云层。根据计划，经过7-8个月的飞行，天问一号探测器明年将抵达并着陆火星，释放一辆火星车。
▲天问一号着陆平台和火星车效果图，火星车重约千克，约为玉兔二号月球车的两倍。截图自国家航天局新闻宣传中心宣传片
如果以飞行的距离划分中国太空探索史，进入地球轨道是第一步，从地球轨道拓展到月球轨道是第二步，此次挣脱地月空间，到达另一颗行星，则是又一次跨越。以此为起点，我们在10年之内，还有望看到中国探测器进入太阳系更多未知的疆域。
纵观21世纪以来的中国航天，深空探测乃至整个航天活动，都有着积极稳妥的特点：高效而精确地突破一项项关键技术，再实施综合性大工程；在月球充分验证各项着陆探测技术后，再去更远的火星。
在越来越多的国家争相探测深空的时代，中国的路线图透露了对深空探测意义的固有认识：并非为了移民外星，而是为了更好地认识地球本身，从而保护人类目前唯一的家园。
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天问的征途
首次火星探测任务在低调研发数年之后，今年4月24日中国航天日正式获得命名：天问一号。“天问”取自屈原长诗《天问》，“日月安属，列星安陈”，叩问了大量天文现象和历史事件，表达了对真理的求索，也与深空探测气质相符。
总体来看，天问一号任务与年执行的嫦娥三号任务有着相似的过程，只不过是将“舞台”从月球搬到了火星。
长征五号火箭将探测器发射到公里左右的地火转移轨道近地点，探测器需要进行多次深空机动和中途修正，飞行约7个月到达火星。发射约天后，探测器精准“刹车”，被火星“捕获”，进入火星环绕轨道。环绕飞行2至3个月后选择进入窗口，探测器分离为两部分，环绕器继续在轨飞行，同时为着陆巡视器和地球提供中继通信服务，着陆巡视器则降落到火星表面。其后，火星车与着陆平台解锁分离，通过坡道机构驶上火星表面。
▲天问一号将经过发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测六个阶段，计划明年5月前后着陆火星。截图自国家航天局新闻宣传中心宣传片
听起来一气呵成，实则步步惊心。正是“舞台”的转换，带来了无数的新问题。
中国探月工程副总设计师、中国航天科技集团有限公司科技委副主任于登云近日对新京报记者表示，难度首先来自于距离。月球离地球38万公里，但火星距离地球最近约万公里，最远大约4亿公里，最近距离也是地月距离的倍。距离遥远带来通信延迟和信号衰减，信号传输一个来回最远时需要近46分钟。
而着陆巡视器下降的全过程必须在7分钟左右完成，这意味着，其间发生任何情况，只能依靠机器自主决策。这可谓是天问一号最凶险的旅程，火星环境特殊，有非常稀薄的大气，既不像月球完全没有大气，又不像地球的大气成分。所以降落的时候，天问一号下面有发动机反推，上面又要打开降落伞降速，7分钟内从时速两万千米降到零，控制十分复杂，必须由设计师提前写好并注入程序。
“什么时候‘刹车’进入火星轨道，进入轨道的角度是多少，何时打开降落伞，何时切断降落伞……每个环节都步步惊心，都需要精准计算、毫秒不差。”中国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩此前对新京报记者表示，这可谓是“恐怖7分钟”。
“那是最激动人心的时刻。”中国航天科技集团五院火星探测器副总设计师贾阳接受采访时说，着陆之后是什么地形？火星车是否会安全行驶到火星表面？会取得什么样的探测数据？火星尘暴的时候，火星车有什么手段躲避？寒冷的天气中，火星车用什么样的方法应对？都值得我们拭目以待，这次任务有很多难题，航天工程师都已经有了解决的办法。
从地球出发到达火星时，天问一号已经飞行了将近4亿公里。对这一旅途的难度，有人打了个比方：相当于从巴黎击出一只高尔夫球，准确落入东京的一个洞里。迄今为止发射的44个火星探测器，只有一半成功“进洞”。
▲天问一号着陆巡视器在着陆最后阶段打开反推发动机减速，平稳降落在地表。截图自国家航天局新闻宣传中心宣传片
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史无前例的高起点
每26个月，迎来一次地火距离最近的时期，大约1个月左右，这也是火星探测器发射的窗口期。随着欧空局与俄罗斯合作的ExoMars火星漫游车推迟到年，今年，阿联酋“希望号”探测器、天问一号和美国“毅力号”火星车将先后飞往火星，开启近年一次探火高潮。
同为两国第一次火星探测，希望号与天问一号走了不同的路径。希望号是一颗环绕探测器，在火星轨道上探测，天问一号则一步实现“绕落巡”，这在火星探测史上也是首次。
国际通行的较为稳妥的方案，是第一步发射绕飞探测器“探路”，再发射着陆器，最后再送去火星车，正如中国嫦娥工程走过的路。贾阳说，中国没有简单重复其他国家的老路，起点设置很高，体现了我国航天技术发展水平，以及航天工程技术人员的自信。
近10年前，中国曾研制过一颗火星探测器，名为“萤火一号”。这颗探测器体型小，仅千克，计划环绕火星探测。当时，中国还没有独立开展火星探测的能力，通过与俄罗斯合作，与俄罗斯“福布斯-土壤”号火星探测器一起，借助其天顶号火箭在年发射升空。但星箭分离后，“福布斯-土壤”号发动机未成功开机，止步于地球附近，最终坠入太平洋。
那时我国火星探测也计划“绕落回”三步走，不过萤火一号任务终止之后，我国调整方案，变三步为两步。为此，近10年中，中国航天工作者一步步做好了各项准备：研制出环绕器与着陆巡视器组成的探测器，建成了位于海滨的文昌发射场，把奔火的运载工具——大火箭长征五号锻造成熟。
中国火星探测任务工程总设计师张荣桥在接受媒体采访时还提到另一点：测控能力。“火星最远离地球4亿公里，最大的问题是测控能力能不能够得着？这样的设施建设需要周期。在探月二期、三期工程中，我们在不断建设测控站，测控站就是一个天地对话的关口，现在已经能够接收到火星的信号。”
中国探月工程总设计师吴伟仁等人在《中国深空测控网现状与展望》一文中介绍，中国深空测控网由3个地面站组成，包括中国西北部喀什地区35米（指天线口径）深空站、东北部佳木斯地区66米深空站和南美洲阿根廷西部内乌肯省萨帕拉地区35米深空站，对深空航天器的测控覆盖率接近90%，具备支持各类月球和深空探测任务的多频段遥测、遥控、数据接收和跟踪测量等功能，是目前世界上功能完备全球布局的三大深空测控网之一。
在天问一号任务中，中国深空测控网的测控通信支持距离还将进一步延伸4亿公里远。为了提高数据接收能力,中国在喀什深空站正在建设3个35米口径新天线,与原有天线组成天线阵系统，使得喀什深空站在X频段深空任务数据接收能力达到与佳木斯相当的水平。
▲全球主要深空测控设施布局。图/《中国科学》杂志
据悉，喀什的天线阵已经完成吊装，计划年底投入使用。未来，我国还计划在阿根廷深空站构建类似的天线阵系统,从而实现更强更远的测控通信能力。
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为什么去火星？
在太阳系的各类星球中，火星无疑是迄今最让人类感兴趣的一颗。不仅是因为它是离我们最近的行星，而且它与地球有诸多相似之处，相关研究已经找到了火星存在水的证据，让人类更好奇那里是否有过生命，它是地球的过去还是未来。这让火星成为人类关于地外生存的想象中，最有可能的一个目的地。
自年苏联发射人类首颗火星探测器MarsA起，迄今的火星探测可以分为三个阶段。第一个阶段是年至年，美苏在冷战背景下开展火星竞争，掀起第一轮高潮，一共实施了23次任务，其中年美国海盗一号、海盗二号两个探测器相继着陆，成为最早的火星登陆者。第二阶段从年至年，随着美苏竞争战略重点转移，火星探测进入低潮期，仅实施2次任务。第三阶段是上世纪90年代至今，迎来第二个高峰期，这一时期以发展新技术和获得科学发现为主要驱动力。
▲迄今为止仍有8个航天器在火星轨道或表面工作。截图自国家航天局新闻宣传中心宣传片
中国科学院院士、地球化学与天体化学家欧阳自远最近在一次演讲中说，对火星生命的探寻，是火星探测的第一个科学问题，其次才是火星本身的地质、磁层、大气等问题。但所有火星探测都没有发现任何生命活动的迹象，尽管如此，人类从未放弃这一努力。
他在文章《火星探测的主要科学问题》中表示，从火星独特的地形地貌特征（如河网体系、海洋盆地、极区冰盖的消长等）和接近地球的表面环境来看，仍有理由认为火星过去存在生命活动。“关于地外生命存在的探寻，不仅反映了人类的好奇心，更是人类探索太空的动力和社会责任。”
越来越多的探测结果表明，火星有水或曾经有水体的活动。“奥德赛”探测器发现火星大气中有微量水蒸气，“火星勘测轨道器”通过雷达探测器发现火星地表下有水冰层。年，NASA宣布在火星表面发现了液态水活动的“强有力”证据，认为火星表面的沟壑很可能是高浓度咸水流经的痕迹。
科学家还在地球上搜寻火星生命的蛛丝马迹。许多国家在地球南极收集到类型众多的火星陨石，发现了大量类似细菌状的“化石”，以及碳酸盐瘤体的微结构和类似生物膜的微结构。年，中国科学家在一块火星陨石中发现了碳颗粒，研究显示是火星生命产生的碳，这是全球首次发表的类似成果。半个月后，美国也宣布通过好奇号发现了同样的结果。
▲美国好奇号火星车拍摄的火星表面。图/NASA
更雄心勃勃的目标，是为人类移民寻找目的地。
火星与地球有许多相似之处。例如，地球上的一天是23小时56分，火星是24小时37分，几乎有相同的昼夜长短；地球公转轨道面和赤道面夹角是23°27′，火星是25°11′，有几乎相同的季节变化。这些相似性都表明，火星是适宜人类居住改造的最好候选行星，何况距离还如此之近。
当然，火星不利于生存的条件也非常明显：火星气温寒冷，平均温度为-40~-60°C；火星表面比地球表面具有较强的宇宙高能粒子辐射，引力只有地球的38%，大气压力仅为地球的1%。在移居之前，人类还需经过大规模的环境改造。
欧阳自远认为，载人登火将是21世纪最宏伟、最复杂的航天工程，是航天大国实施载人航天的最高目标。通过国际合作实施火星登陆、火星改造和火星利用，人类有望在未来几个世纪中，将火星改造成适宜人类生存与发展的绿色星球。
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中国的跨越
世界主要航天国家行星探测活动都起步于火星，然后向更遥远的行星及行星际发展。
进入21世纪，世界主要航天国家和组织都制定了宏伟的火星探测规划。印度、阿联酋等新兴航天国家也在推动，印度首个火星探测器已于年11月成功发射，年9月进入火星轨道，开创亚洲国家历史。
近20年，每两年一次的火星窗口，几乎都有火星探测任务实施，火星探测也成为显示国家综合国力和国际地位的重要战略性领域。
于登云说，在此之前，作为航天大国的中国在月球以远的深空探测领域尚属空白，不仅面临着与美、欧、俄等传统航天强国和地区差距拉大，而且还面临着被印度等新兴航天国家超越的现实。火星探测将是中国行星探测的第一步，是从月球到行星中承前启后的关键环节，也是未来迈向更远深空的必由之路。
于登云等人在《火星探测发展历程与未来展望》中提出，目前国际上火星探测任务目标，已由发展技术逐步转向服务科学，重点开展小尺度精细结构和大尺度科学探索，更加