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北京时间年7月22日夜晚，中国长征五号遥四运载火箭在海南文昌航天发射场完成技术区总装测试，垂直转运至发射区。各项工作有条不紊，我国将择机实施我国首个火星探测器天问一号的发射任务。
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天问一号的名字，来自浪漫主义诗人屈原先生的诗歌集《楚辞》中的名篇《天问》。以前文学家木心先生讲说，屈原的《楚辞》能和西方交响乐——瓦格纳、勃拉姆斯、西贝柳斯、法朗克——相媲美。全篇总在起伏流动，一种飞翔的感觉。
飞翔的感觉。天问一号即将启程的探索之旅，也是足够罗曼蒂克的。
关于这趟旅程，钱江晚报·小时新闻记者特邀北京大学地球与空间科学学院教授、中国空间科学学会、空间探测专家委员会副主任焦维新先生，来为读者作独家深度解读。
大码
5吨
Q：中国的探测器为什么这么重？
一切都很大。
中国火星探测器天问一号由环绕器、着陆器和巡视器组成，重量达到5吨左右。
大块头。
在全世界各国（组织）发射的火星探测器看，天问一号算是一个比较大体量的探测器。
大，因为中国这次的任务是一次发射完成多种探测。
人类探测火星的方式与探测月球的方式基本类似，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。这其中，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。这五种方式，按前后顺序来说技术难度是越来越大，所以一般都采用循序渐进的方针，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片来源：央视新闻
截至目前，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。只有美国成功实现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，着陆探测均以失败告终。
火星环绕器图片来源：央视新闻
火星车探测仪器图片来源：央视新闻
火星车卫星图片来源：央视新闻
焦维新解释说，大多数火星探测器都属于单独发射——一次就发射一个设备，轨道器（环绕器）、火星车（着陆、巡视设备）分开发射。“比如，今年美国将要发射的毅力号火星探测器，只包含一辆火星车（千克）。”
与月球探测相比，由于火星和地球的距离比月球和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。
如今，我国即将实施的首次火星探测任务，计划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，同时也具有很大挑战性。
Q：这样的大家伙如何飞向火星？
如何把这样一个重量的飞行器送入“奔火”轨道？
大块头配大胖子。
目前我国的这项火星探测器发射任务，只能由现役最大的火箭长征五号承担发射任务。
长征五号火箭年成功首飞，这支外形巨大的火箭总长约57米，箭体直径达到5米——此前我国现役火箭箭体直径最大的只有3.35米。因此长征五号火箭被亲切称为“胖五”。“胖五”不仅是我国目前最高、体积最大的火箭，也是运载能力最强的火箭。
发射深空探测器，需要运载火箭提供足够的发射能量，使探测器获得足够大的初始速度。在分离速度确定的条件下，重量越大的探测器，所需要的发射能量也越大。
行星探测器要脱离地球的引力场，必须达到一定的速度。要进入地-火轨道，天问一号的速度必须超过第二宇宙速度——11.2公里/秒，它才能飞向自己的目标行星。否则，探测器只能绕着地球转。
月球探测器（我国嫦娥四号探测器）要实现绕月飞行，速度要超过第一宇宙速度，7.9公里/秒 图片来源：新华社
在长征五号火箭出现之前，当时运载能力最强的长征三号乙运载火箭，大约可以将两吨左右的探测器送入地-火转移轨道；而长征五号运载火箭的地-火转移轨道发射能力，超过了5吨。所以说“探火”任务，只有大胖子长征五号火箭能够胜任。
约会
26个月
Q：为什么26个月才能等到一次窗口期？
大码探测器赶赴的是一场约会。一场精心安排的宇宙约会。
年火星任务的发射窗口期是在7月15日-8月5日。
中国、阿联酋、美国、欧空局都计划在今年这个窗口期发射各自的火星探测器。
从约会时间看，本周发射成功的阿联酋希望号火星探测器，原定是在7月16日发射。由于发射场雷暴天气持续等不稳定的气象原因，第一次推迟到17日，条件仍然不成熟，再推迟到20日正式发射；
中国天问一号即将发射；
美国的毅力号火星探测器，计划在在美国东部时间7月30日上午7：50（北京时间当天晚上7：50）发射。NASA也表示，如果这个窗口不能一鼓作气实施，第二个窗口会在8月5日；再有变故，他们计划在8月15日发射毅力号。年8月15日，已经是不能再往后推的发射窗口了。火箭修正轨道，太费燃料。
所以ESA（欧空局）掉队了。
原本也将今年夏天发射火星探测器的ESA，在春天时宣布：由于疫情原因，不能按时完成探测器的所有测试，今年无法赶在窗口期发射。
错过这一趟窗口期，那么就要等待26个月。ESA新的发射计划可能是在年10月。
火星车（左）和着陆平台（右）图片来源：央视新闻
Q：谁是约会的主角？
探测器要和火星相约。当它们相遇后，探测器需要被火星引力捕获。
在太阳系中，地球、火星都绕着太阳公转，地球在内圈、火星在外圈。
那么地球发射的探测器要去火星探测，它得一边往前飞，一边得往外靠过去，它的飞行轨迹是一个椭圆的轨道。
等到天问一号飞了一段时间到达火星轨道时，火星也正好公转到同一个地方。探测器就要准备被火星引力吸引。
这场约会，探测器和火星，彼此都不能等待。
“但这并不容易，探测器不能一下子往火星飞，要逐渐往外靠；而火星绕太阳一圈需要个地球日。
根据霍曼轨道原理，科学家计算的结果是：当天问一号绕过太阳运转半圈后再往火星飞去，是最节省能量的。”
Q：具体是一个什么样的约会时间点？
要完成这场约会，火星和地球的相对位置有特别的要求。
焦维新举了一个很形象的例子，“好比标准田径场（米一圈跑道）上进行比赛，跑米，所有选手站在同一水平线上起跑，但是米比赛，选手们起跑点是不一样的——从同一平面看，外圈选手起跑位置更靠前一点。”
火星车探测仪器图片来源：央视新闻
地球和火星需要处于同样的相对位置。
当地球和火星都在太阳的同一边，火星要在地球前方一些。此时，太阳和地球之间画一条线，太阳和火星之间画一条线，这两条线之间的夹角达到44°，这就是天问一号和火星相遇的最佳时间点。
火星在天内绕太阳公转一周（度），这意味着它每天移动0.度（度/天）。在天内（沿霍曼转移路径从地球到火星的旅行时间），火星将移动度（每天0.度*天）。要计算火星在发射时的位置，就要从到达点（度）减去火星在航天器飞行时间（度）期间的运动量。°–°=44°。探测器发射时是在霍曼轨道近日点（离太阳最近的点），到达时是在霍曼轨道远日点（离太阳最远的点）。当火星在其轨道上领先地球44度时，就是最佳的发射时机图片来源：加州大学喷气推进实验室（Caltech’sJetPropulsionLaboratory）
如果发射成功，这个时间大约是天问一号发射后7个月。
ESA错过今年的窗口期，为什么最快只能等26个月后？就是因为年夏天的窗口期之后，这个夹角会超过44°，或者再飞着飞着，地球跑到火星前面去了，探测器和火星就没有办法约会了。
26个月后，44°会再次出现。
当然天问一号也要非常努力的。
这个过程中，火星就按照它的日常轨迹运行，对它来说，遇到天问一号是邂逅。
探测器呢，需要不断地修整轨道，在速度超过第二宇宙速度（11.2公里/秒）后，大多数时候，天问一号会关机运行。当进程没有达到预期时，它会点火进行调整，以保证会在44°时，能够遇到火星。
图片来源：earthhow. 编审杨仪王琳