今年“中國(guó)航天日”期間，國(guó)家航天局宣布中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)命名為“天問(wèn)”系列，包括火星采樣返回、小行星探測(cè)、木星系探測(cè)等系列任務(wù)。星辰大海，中國(guó)來(lái)了!

為什么非要選在2020年7-8月間發(fā)射?

1火星年為687地球天

因?yàn)榛鹦擒壍篮偷厍蜍壍赖闹芷诓灰粯樱缘厍虻交鹦堑木嚯x是一種動(dòng)態(tài)的關(guān)系。

地球、火星會(huì)大約每26個(gè)月會(huì)接近一次，實(shí)際數(shù)值在764天到812天之間波動(dòng)。

2020年10月13日，火星與地球?qū)l(fā)生一次最短接觸，2者間最短距離約為6300萬(wàn)千米。

(非精確模擬)地球繞日軌道與火星繞日軌道

因此，為了節(jié)省燃料和飛行時(shí)間，前往火星就是概略沿著這個(gè)最短距離前往火星的。

因?yàn)閺牡厍虺霭l(fā)具有公轉(zhuǎn)軌道上的初速度，所以這條路徑會(huì)看起來(lái)類似一根拋物線，這根拋線就被稱為霍曼轉(zhuǎn)移軌道。

(精確模擬)“洞察”號(hào)沿霍曼轉(zhuǎn)移軌道到達(dá)火星，圖中藍(lán)點(diǎn)為地球、粉點(diǎn)為洞察號(hào)、綠點(diǎn)為火星

在進(jìn)行霍曼轉(zhuǎn)移前，必須考慮到飛行器的飛行軌跡與火星軌道有相交點(diǎn)，從這一點(diǎn)往前推，刨去飛船飛行所用的時(shí)間，就是飛船出發(fā)的時(shí)間，而這一小段時(shí)間就是所謂的發(fā)射窗口，而最近一次的發(fā)射窗口正是2020年的在7-8月份之間。

火星探測(cè)2020窗口期，中美攜手(角逐)!

所以，過(guò)了2020年，可謂是“過(guò)了這個(gè)村，沒(méi)了這個(gè)店“，下一個(gè)發(fā)射窗口就要等到2022年下半年了

繼 3 月歐洲與俄羅斯合作的 ExoMars 火星漫游車宣布推遲發(fā)射后，目前還剩下中國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”、美國(guó)的“毅力號(hào)”、阿聯(lián)酋的“希望”號(hào)3家了，可謂是“2020年全村人的希望之了”。

這阿聯(lián)酋的。。嗯。。。。大金主花錢，美國(guó)助研，日本助飛，你想想馬云拍功夫片吧，咱就不說(shuō)了吧。

2020，火星之旅真正的主角就屬于中美了!，不知怎么，這讓我想起了2001太空漫游!

近20年來(lái)火星探測(cè)任務(wù)(表中除火星快車，ExoMars 2016外，其余均為美國(guó))

人類對(duì)火星的探索由美國(guó)率先發(fā)起，1964年11月28日，NASA發(fā)射的水手4號(hào)是第一個(gè)訪問(wèn)火星的探測(cè)器，緊接著是美國(guó)的維京1號(hào)首次登陸火星，自此以后，前蘇聯(lián)、歐洲、印度等也參與進(jìn)來(lái)，至2019年，人類共進(jìn)行了55次探索火星的任務(wù)，但美國(guó)仍是該領(lǐng)域絕對(duì)的霸主，也憑借著多年的耕耘，美國(guó)探索火星取得了重要的技術(shù)積累和大量的第一手資料。

螢火1號(hào)

2011年，中國(guó)的”螢火1號(hào)“也曾搭載俄羅斯Phobos-Grunt探測(cè)器上試水，但變軌失敗，未能如愿。

印度在探測(cè)火星方面運(yùn)氣還不錯(cuò)，其2013年發(fā)射的曼加利亞人火星軌道器在2014年9月24日成功到達(dá)火星，使印度繼美、俄、歐之后，第4個(gè)到達(dá)的國(guó)家，也是第一個(gè)成功的亞洲行星際任務(wù)。當(dāng)然，其成功也少不了美國(guó)的幫助(干啥那么積極啊?)，其重要的深空通信和導(dǎo)航都是依賴于美國(guó)的中繼網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。

現(xiàn)在，中國(guó)的天問(wèn)一號(hào)任務(wù)趁著嫦娥系列探月任務(wù)成功的強(qiáng)勁勢(shì)頭(目前只有美、中成功登陸過(guò))，借鑒美國(guó)探火的成功經(jīng)驗(yàn)，立足國(guó)家科技實(shí)力和發(fā)展需求，瞄準(zhǔn)研究熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)創(chuàng)新和跨越式發(fā)展：

天問(wèn)1號(hào)著陸巡視器，其中火星車重約240千克

1、任務(wù)起點(diǎn)高，技術(shù)跨度大：天問(wèn)一號(hào)首次火星探測(cè)任務(wù)將通過(guò)一次任務(wù)，實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”，著陸有效質(zhì)量?jī)H次于好奇號(hào)(好奇號(hào)的總質(zhì)量為899千克)，環(huán)火探測(cè)能力與國(guó)際相當(dāng)。

2、探測(cè)方式創(chuàng)新：首次一次同時(shí)實(shí)施環(huán)繞探測(cè)和巡視探測(cè)，天地協(xié)同、相互驗(yàn)證、互為補(bǔ)充，將對(duì)火星的水冰、土壤、空間環(huán)境、物理場(chǎng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行探測(cè);

3、面臨全新考驗(yàn)：火星大氣層極其稀薄，著陸巡視將面臨全新的環(huán)境，火星探測(cè)可謂極其兇險(xiǎn)，目前55次任務(wù)中，只有25個(gè)完全成功，占45.5%，不過(guò)，隨著人類對(duì)火星的逐步了解，成功率是不斷提升，自2001年以來(lái)的16個(gè)任務(wù)中，有12個(gè)成功，成功率上升到75%;

4、促進(jìn)深空探索技術(shù)全面提升：此次任務(wù)成功將突破火星制動(dòng)捕獲、進(jìn)入著陸、表面巡視、長(zhǎng)期自主管理、行星際測(cè)控通信等關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)深空探測(cè)技術(shù)能力和水平進(jìn)入世界航天第一梯隊(duì)，實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)技術(shù)的跨越。

綜上，天問(wèn)一號(hào)可以說(shuō)是高起點(diǎn)、多任務(wù)、跨躍式創(chuàng)新，花最少的錢辦最多的事!

作為中國(guó)“天問(wèn)系列”行星探測(cè)任務(wù)的首秀，任務(wù)按照發(fā)射入軌、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊(到達(dá)后繞火軌道后，會(huì)持續(xù)幾個(gè)月詳細(xì)勘察著陸地)、離軌著陸5步進(jìn)行;

天問(wèn)一號(hào)火星車從進(jìn)入艙抵達(dá)火星地表

“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器包括環(huán)繞器、著陸巡視器，著陸巡視器又分為進(jìn)入艙和火星車。首次發(fā)射定在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)。

火箭從中國(guó)文昌航天發(fā)射中心發(fā)射升空

1、入軌載具：長(zhǎng)征5系列“運(yùn)載火箭”

2、歷時(shí)：飛行距離約4億千米，2020年7-8月為發(fā)射窗口，預(yù)計(jì)2021年2月到達(dá)，歷時(shí)約7個(gè)月;

天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器著陸演示，采用傘降與直接反推相結(jié)合進(jìn)行軟著陸

3、著陸：第一步探測(cè)器降軌，第二步環(huán)繞器與著陸巡視器分離，第三步釋放著陸巡視器

環(huán)繞器上升到中繼通信軌道，為火星車提供中繼通信鏈路，并開(kāi)展繞火科學(xué)探測(cè)。

著陸巡視器通過(guò)傘降和反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速，軟著陸于火星表面。

火星車從著陸平臺(tái)上分離以后，就可以在火星表面開(kāi)展工作了。

登陸火星的火星車

著陸地可能位于火星的烏托邦平原，與維京1號(hào)著陸器著陸地位于同一區(qū)域

4、“恐怖 7 分鐘”

美國(guó)洞察號(hào)的著陸過(guò)程，毅力號(hào)將沿用這一著陸方式

天問(wèn)一號(hào)同樣要經(jīng)歷降落階段的“恐怖7分鐘，需要在7分鐘內(nèi)將時(shí)速要從2萬(wàn)千米降到0，在人類現(xiàn)有 44 次火星探測(cè)中，能夠安全度過(guò)這 7 分鐘的僅有 9 次。

去干啥?

火星探測(cè)任務(wù)及有效載荷

首要科學(xué)問(wèn)題是在探測(cè)火星上的生命活動(dòng)信息;

其次是火星磁層、電離層與大氣層的探測(cè)與環(huán)境科學(xué)等本體科學(xué)研究;

戈壁沙漠中的“ Base 1 Station”模擬基地

其三是探討火星的長(zhǎng)期改造與今后建立人類第二個(gè)棲息地。

天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器配置了中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、環(huán)繞器次表層探測(cè)雷達(dá)、火星礦物光譜分析儀、火星磁強(qiáng)計(jì)、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀共7種有效載荷;

天問(wèn)一號(hào)火星車配置了火星表面成分探測(cè)儀、多光譜相機(jī)、地形相機(jī)、火星車次表層探測(cè)雷達(dá)、火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀、火星氣象測(cè)量?jī)x共6種有效載荷。

來(lái)看看美國(guó)的毅力號(hào)

美國(guó)的探測(cè)器采用地面火星車與火星直升機(jī)配合，主要的配置都在火星車上

“毅力”號(hào)火星車攜帶了7臺(tái)儀器：桅桿相機(jī)、火星環(huán)境動(dòng)力分析儀、火星氧元素原位資源利用實(shí)驗(yàn)儀、X射線巖石化學(xué)行星載荷、火星次表層雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)儀、宜居環(huán)境有機(jī)物和化學(xué)物質(zhì)拉曼與冷發(fā)光掃描探測(cè)儀、超級(jí)相機(jī)

桅桿相機(jī)是一種多光譜安裝在毅力號(hào)的桅桿上。能夠拍攝極高分辨率的彩色圖像和立體全景圖像，也能獲取每秒4幀的錄像，從而記錄一些動(dòng)態(tài)的現(xiàn)象，如沙塵 暴、云的活動(dòng)和天文現(xiàn)象等。桅桿相機(jī)還配備了帶通波器(400～1 000 nm)，可獲得多光譜數(shù)據(jù)，從而區(qū)分沒(méi)有風(fēng)化和已經(jīng)風(fēng)化了的物質(zhì)，也可區(qū)分硅酸鹽、 氧化物、氫氧化物以及一些與水環(huán)境相關(guān)的礦物等。 通過(guò)這個(gè)載荷，可以獲取火星車周圍的地形地貌、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及礦物形態(tài)等信息，重建地質(zhì)歷史。同時(shí)也可以獲取大氣與表面相互作用的信息， 從而評(píng)估現(xiàn)今的大氣和天氣狀況。

火星環(huán)境動(dòng)力分析儀是一套用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器集合，能夠記 錄塵埃的光學(xué)性質(zhì)和大氣參數(shù)(風(fēng)速、風(fēng)向、壓力、 相對(duì)濕度、空氣溫度和地面溫度)，也可以獲取大氣 氣溶膠的性質(zhì)。

火星氧元素原位資源利用實(shí)驗(yàn)儀能夠消耗火星大氣中的二氧化碳來(lái) 生產(chǎn)氧氣，主要由二氧化碳獲取壓縮系統(tǒng)和固體氧化 物電解槽兩部分組成。利用電化學(xué)的方法將二氧化碳分解成氧氣和一氧 化碳。這個(gè)載荷不僅能在該任務(wù)中驗(yàn)證原位資源利用技 術(shù)，利用火星大氣生產(chǎn)可供呼吸的和作為火箭燃料的 氧氣，為人類探測(cè)火星任務(wù)做準(zhǔn)備，也能測(cè)量大氣塵 埃的大小和形態(tài)，了解塵埃對(duì)火星表面環(huán)境的影響。

X射線巖石化學(xué)行星載荷能夠通過(guò)對(duì)目標(biāo)巖石和土壤發(fā)射X射線，然后分析其誘發(fā)出來(lái)的X光熒光獲取亞毫米級(jí)的物質(zhì)化學(xué)成分，能夠探測(cè)到Na、Mg、Al、Si、等近30種元素。

火星次表層雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)儀是一個(gè)探地雷達(dá)，能夠發(fā)射150 MHz～ 1.2 GHz頻率的雷達(dá)脈沖信號(hào)，理論上在垂直方向上的 分辨率為14.2 cm。它在火星車的行進(jìn)過(guò)程中工作，并 能夠運(yùn)行在不同模式。火星車每行駛10 cm，其會(huì)默認(rèn) 切換成深部穿透或淺部穿透模式。該儀器預(yù)計(jì)能獲取 次表層10 m內(nèi)的信息。

宜居環(huán)境有機(jī)物和化學(xué)物質(zhì)拉曼與冷發(fā)光掃描探測(cè)儀是一種深紫外共振拉曼和熒光光譜儀，它將被固定在機(jī)械臂上，利 用248.6 nm的激光獲取小于100 μm束斑內(nèi)物質(zhì)的成 分。該儀器對(duì)于芳香族有機(jī)物和碳聚合物的探測(cè)非常 靈敏，也可以探測(cè)到脂肪族有機(jī)物。除了有機(jī)物，還 能夠檢測(cè)到粒度在20 μm以下與水環(huán)境相關(guān)的礦物

超級(jí)相機(jī)是一個(gè)遙感載荷，包含有遙感光學(xué)測(cè)量和激光光譜儀，能夠高效快捷地遠(yuǎn)距離 獲取樣品高精度的礦物和化學(xué)信息、原子和分子的組 成。該載荷包含4個(gè)光譜儀：①激光誘導(dǎo)剝蝕光譜儀 ，使用1 064 nm的激光探測(cè)7 米以內(nèi)的目標(biāo); ②拉曼光譜儀，使用532 nm的激光探測(cè)12 米以內(nèi)的目 標(biāo);③時(shí)間分辨熒光光譜儀;④可見(jiàn)光和紅外反射光譜儀，波長(zhǎng)范圍400～900 nm和1.3～2.6 μm。利用這些 光譜儀能夠獲取樣品的礦物信息、分子結(jié)構(gòu)，也能夠直接搜索有機(jī)物。同時(shí)，SuperCam的激光能夠清除樣品表面的灰塵，從遠(yuǎn)距離獲取灰塵下的表面物質(zhì)信息。該載荷還含有彩色遠(yuǎn)程微成像儀，能夠獲取高分辨率的樣品影像。

對(duì)比結(jié)論

從次表層雷達(dá)成像、光學(xué)相機(jī)等載荷來(lái)看，中美在相似載荷的性能方面大致相當(dāng)。比如次表面雷達(dá)的探測(cè)深度和分辨率2者相當(dāng)。

毅力號(hào)近端巨大的核衰變電池，使用的是钚-238

但比較2家的載荷大家就可以看出，“激光”這個(gè)關(guān)鍵詞頻繁的出現(xiàn)在毅力號(hào)的相關(guān)載荷中，為什么，因?yàn)椋懔μ?hào)使用的電源是被稱為“多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器”(MMRTG)的核電池，利用钚-238的衰變來(lái)供電，它可以提供110瓦的電力，在太陽(yáng)光強(qiáng)較弱的火星對(duì)支撐多項(xiàng)大功率載荷(如激光)等方面具有重要作用。

美國(guó)在同位素溫差發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域深耕多年，具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。1996年發(fā)射的“火星探路者”、2003年發(fā)射的“勇氣號(hào)"和“機(jī)遇號(hào)”就早已使用了放射性同位素，所以你看不到它們的太陽(yáng)能電池板，因?yàn)椴恍枰浜穗姵氐妮斎牍β屎湍芰哭D(zhuǎn)換率都具有很大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

另外，美國(guó)在著陸技術(shù)、深空網(wǎng)絡(luò)通信與控制支持等方面都有較深的技術(shù)和設(shè)施積累，這些需要客觀看待!

必將從跟跑到并跑直到領(lǐng)跑

我國(guó)行星探測(cè)工程圍繞太陽(yáng)系起源與演化、小天體和太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球的影響、地外生命信息探索等空 間科學(xué)重大問(wèn)題，在 2030 年前安排了 4 次探測(cè)任務(wù)。 以火星探測(cè)為重點(diǎn)，按照“一步實(shí)現(xiàn)繞著巡、二 步完成取樣回”的發(fā)展路線，在2020 年實(shí)施首次火星探測(cè)任務(wù)，2030 年前后實(shí)現(xiàn)火星取樣返回探測(cè)任務(wù)。

另外將開(kāi)展一小一大兩類太陽(yáng)系天體原位探測(cè)，2024 年前后實(shí)現(xiàn)小行星探測(cè)，2030 年前后實(shí)施木星系及行星際探測(cè)，這兩次任務(wù)均是一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)， 體現(xiàn)了我國(guó)深空探測(cè)多目標(biāo)、高科學(xué)產(chǎn)出的特點(diǎn)。

我國(guó)已成功實(shí)施了“嫦娥一號(hào)”、“嫦娥二號(hào)”、“嫦 娥三號(hào)”、“嫦娥五號(hào)”再入返回試驗(yàn)”以及“嫦娥四號(hào)” 共五次任務(wù)。這些任務(wù)的圓滿實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志我國(guó)已掌握 了月球探測(cè)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，獲得了大量科學(xué)成果， 建立了較為完善的工程體系，具備了月球全面探測(cè)和開(kāi)展更遠(yuǎn)距離深空探測(cè)的基礎(chǔ)。

相信依靠中國(guó)強(qiáng)大的制度優(yōu)勢(shì)與戰(zhàn)略執(zhí)行力，中國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域必將從跟跑到并跑直到領(lǐng)跑!

關(guān)鍵詞： 天問(wèn)一號(hào)