交汇点讯年4月24日，第五个中国航天日上，备受瞩目的中国行星探测任务命名为“天问系列”，首次火星探测任务命名为“天问一号”。
按照计划，“天问一号”将在7至8月执行首次火星探测任务，一次性实现“绕、落、巡”三个任务，此外还要完成5大科学目标。随着时间窗口的临近，我国首次火星探测任务进展如何？重点难点是什么？
七八月离地球近是“火星探测时间窗口”
火星探测是指人类通过向火星发射空间探测器，对火星进行科学探测活动。
公开报道显示，美国、俄罗斯、欧洲航天局和印度都已成功向火星发射了探测器。阿联酋计划7月15日由日本发射首个火星探测器。
为什么要发射火星探测器？中国科学院紫金山天文台研究员季江徽在接受《科技周刊》记者采访时给出了答案：“在太阳系八大行星之中，火星是除了金星以外距离地球最近的行星，也是最近似地球的天体之一，是人类未来移民的首选地。寻找地外生命和研究火星的形成演化过程是火星探测的两大科学主题。”
“火星过去可能拥有过适合生命生存的环境条件。”季江徽说，火星表层深处可能存在很多稳定的液态水，研究火星地质、表面成分的长期演变过程，岩石和空气大气、水的相互作用等，将有助于我们理解火星生命可能存在和消失的原因，为预测地球的未来提供启示。
作为我国首次行星探测任务，“天问一号”拟定于年7月至8月间的发射窗口择机发射。中国科学院院士、航天科技集团科技委主任包为民表示，由于火星距离地球较远，因此探测火星需要选择它与地球距离较近的时机，而这样的机会每隔26个月才有一次；年7月至8月正值这一“火星探测时间窗口”。
“‘天问一号’由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成，将一步完成‘绕、落、巡’三步，这将是世界上首次探索火星即完成软着陆的任务。”季江徽介绍，“绕”就是轨道器环绕火星进行探测；“落”则是着陆器软着陆于火星表面进行固定位置的地面探测；“巡”则为巡视器（火星车）在火星表面进行不固定位置的科学探测。
如果“天问一号”任务获得成功，中国将成为继美国和俄罗斯之后第三个完成火星着陆的国家，也是继美国之后第二个完成火星漫游的国家。
“‘天问一号’任务将是见证中国从航天大国迈向航天强国的重要标志。”季江徽说，如果一切顺利，大概需要7到8个月的时间。也就是说在年7月下旬发射的话，至少要到年2月末，“天问一号”才能到达火星轨道，顺利到达火星后，火星车将停留90个火星日，开展巡视探测、火星地貌特征研究等多项任务。
进入轨道降落火星属“超高难度”
人类使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史，但几十年来，火星探测成功的概率统计下来还不足一半，成功探测火星的难度极大。
探测火星首先要进入火星轨道。“火星与地球最近的时候，距离大概有万公里，探测器在经过地火转移轨道长途飞行后，如何成功被火星的引力场捕获是任务中的关键点之一。”季江徽说，如果捕获失败，探测器将会与火星擦肩而过。
“探测器前往火星，需要完全摆脱地球引力。”季江徽表示，探测器需要达到第二宇宙速度脱离地球，中途需要几次轨道修正，以确保当“天问一号”抵达火星附近，火星的引力场就会抓住它。总之，进入火星轨道的过程非常困难，耗时普遍在6-11个月不等，期间还会遭受信号传输5分钟左右延迟和太阳风及空间辐射的影响。
进入火星轨道后，“绕”是第一步。“着陆器不可能携带强有力、大功率的通信天线，也基本不太可能直接与地球联系，这意味着它和地球之间还必须有一个‘烽火台’进行‘传话’，这就必须在环绕火星轨道准备一个轨道器转发信号来解决通信问题。”季江徽形象地解释说，在合适的时间和地点，轨道器将发射着陆器降落到火星表面。
“绕”并不是探测任务最大的难点，着陆器而要完成“落”的任务，还需要克服一系列更复杂的问题。“比如火星大气，它可以产生高达摄氏度的温度。”季江徽说，着陆器着陆过程中会经历“恐怖7分钟”，即再入、下降与着陆的过程，这过程等于“盲降”，7分钟的时间甚至不足以完成一次地火通讯，这意味着全程超过个动作的降落过程必须依靠探测器自主完成，对软件和硬件的要求极高。
作为火星登陆计划的最后一步，着陆器要在7分钟的时间内将时速从2万千米降低到零，这也是整个任务的关键点，直接决定着任务的成败。“目前国际上主要有两种减速方式。我国根据探月工程中的技术经验作为基础，将通过4个阶段逐步减速，最终使探测器平稳到达火星表面。”包为民说，第一阶段为气动减速，第二阶段开降落伞，第三阶段动力减速开反推，第四阶段悬停避障；着陆器在火星表面软着陆成功后将释放火星车，在火星表面进行巡视探测。
多方合力备战“探火”大考
我国火星探测计划筹谋已久。“年8月，8位院士联名向国家建议，开展月球以远深空探测的综合论证，国家国防科技工业局立即组织专家开展了发展规划和实施方案论证。”中国国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言曾撰文写道，首次火星探测是深空探测的起点和重点，实施方案经过三轮迭代和深化，于年1月正式立项实施。
时隔4年，为保障此次发射任务，长征五号遥四火箭也已做好了充足准备。“作为新一代运载火箭里的最大个，将依靠强劲推力发射探测器，以超过第二宇宙速度的超快速度进入太空，离开地球向火星奔去。”季江徽说。公开报道显示，长征五号遥四火箭大推力氢氧发动机已顺利完成了总装出厂前的最后一项验证，标志着这台发动机性能达到预定要求，目前正转入火箭总装阶段。
针对着陆阶段的“恐怖7分钟”，季江徽表示并不用过于担心。“我国有神舟1号-11号飞船，在有大气的情况下着陆非常成熟；我国还有嫦娥三号和嫦娥四号任务，在无/稀薄大气的情况着陆也有经验。”他透露，我国深空通讯网已初步建成，还有万吨级远望号航天测量船辅助；年，还发射了人类唯一的地月通信中继卫星“鹊桥号”。
至于轨道设计和火星车，季江徽也信心满满。“年，嫦娥二号探测器已经实现过飞越日地拉格朗日点、飞越图塔蒂斯小行星和进入深空万千米的壮举。”他说，我国已经有了玉兔号和玉兔二号月球车，其中玉兔二号已经工作近1年；“鹊桥号+嫦娥四号+玉兔二号”在月球实践过的工程经验代表着火星车足够的工程可行性。
“火星探测我国起步虽晚，但是我们不做，永远都是原地踏步。”季江徽说，我国火星探测虽然“后发”，但起点高。他透露，完成火星探测任务后，下一阶段任务将是发射探测器从火星表面取样返回地球；展望未来，地球人或许可以移民到火星生活，星际旅行将成为家常便饭。
交汇点记者张宣
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