7月23日，我国首次火星探测任务“天问一号”在中国文昌航天发射场启程。随着长征五号遥四火箭的点火升空，我国拉开了向更遥远的深空探测的序幕。“天问一号”的目的地，是我们在太阳系中的“近邻”——最近距离5500多万公里、最远距离4亿公里的火星。

　　此次实施的火星探测任务，将通过一次发射，实现“绕、着、巡”(火星环绕、着陆和巡视探测)三大任务，这在世界航天史上尚属首次。

　　太阳系这么大，为什么是火星?

　　火星探测，可以说是当前行星探测的重点目标。太阳系八大行星中，人们似乎格外偏爱这颗红色星球。最近20多年以来，几乎每一个发射窗口都有火星探测器发射。今年7月，就有三个国家计划实施火星探测任务。人们为什么对火星情有独钟?

　　中国首次火星探测任务新闻发言人、国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰表示，火星是离地球较近且环境最相似的星球，一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。以往的探测发现了存在水的证据，火星上是否存在孕育生命条件以及火星是地球的过去还是地球的未来，成为火星研究重大科学问题。研究火星对认识地球演变具有非常重要的比较意义。

　　专家介绍，太阳系共有八大行星，按照距离太阳的远近，依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，其中水星、金星、地球、火星叫做类地行星，其他排列在外圈的叫做类木行星(巨行星)。根据目前的研究，类地行星的主要成分都是硅酸盐，均为固体表面，都有核、幔、壳等分层结构。而类木行星主要由氢、氦和水等组成，不一定有固体的表面。

　　在这些类地行星中，火星的自然条件与地球最为类似。从外形上来看，地球半径6378公里，火星半径3397公里，大致是地球的一半;火星的体积是地球的1/7，质量是地球的1/10。从地表温度来看，火星与地球最为接近。地球表面温度为零下89.2—零上58.6摄氏度;火星则是零下133—零上27摄氏度;金星的表面温度在465—485摄氏度，是一颗非常炙热的星球;水星的温度则为零下173—零上452摄氏度。

　　从自转、公转形成的季节和时间来看，与地球相似，火星上也有一年四季。地球的一天为24小时，火星的一天则是24小时39分35秒，比地球长了40分钟。而地球的另一个邻居金星，一天的时间相当于地球的243天，一年公转时间则为224.7天;距离太阳最近的水星，一天相当于地球的58天，一年相当于地球的88天。

　　从工程实践来看，火星探测相对于其他的行星探测，也更容易实现。“设计航天器要尽可能适应当地的环境。以金星为例，400多摄氏度的高温，目前的元器件在金星上都不能长期存在。火星与地球有最接近的环境，从各方面来看，火星探测在工程上更具可行性。”

　　再从任务周期来看，金星、火星作为地球的邻居，飞行时间大约需要6—10个月。而木星则需要飞行7年，水星也需要花费数年时间。再往更远的深空飞行，按照目前的技术手段，可能要用上几十年的时间。正因为这些原因，火星探测才会在近年来愈发火热。

　　一年这么长，为何集中在7月发射?

　　火星距离地球，可以用“亿里迢迢”来形容，这么远的距离，探测器要如何才能到达?要回答这个问题，就要先来解释一下探测器发射的时间窗口。中国首次火星探测任务总设计师张荣桥告诉记者，“地球、火星都围绕着太阳在运动，总有一个时刻地球运行到太阳和火星的中间，而且在一条直线上，当这个时刻来临的时候就叫做‘冲日’。地球绕太阳公转一圈365天，火星绕太阳公转一周687天，那么从这一刻开始，到下一回形成‘冲’这个间隔，是26个月。因此，地球与火星的位置，任何一个特定关系的重现，都是26个月。”

　　由于路途遥远，从地球发射探测器到达火星，一般都采用最省能量的轨道。考虑到风险、成本等因素，地球航天器到火星的最佳路线为1925年科学界提出的“霍曼轨道”。由于该轨道每26个月才能出现一次，且最近“霍曼轨道”形成时间为2020年夏，所以近期各国火星探测计划均集中在该时间段。这也是发射窗口的含义之一。

　　中国科学院国家天文台研究员郑永春对此作了形象的比喻，“可以把太阳系的椭圆轨道想象成一个大操场，火星在第四跑道，地球在第三跑道，内圈跑得快一些，外圈距离长、跑得相对慢一些。那么，从内圈到外圈发射探测器，最省力的方式一定是火星在前面、地球在后面，这样才有可能追上。否则在直线距离时发射，等到探测器飞过去，火星已经跑掉了。”

　　郑永春介绍，由于地球比火星“跑”得快，在探测器发射不久，地球会在某一个位置追上火星，因此往往存在一种现象，即火星探测器发射之后大约两个月左右，紧接着就会发生“火星冲日”，此时地球和火星的距离最近。“因此，发射火星探测器的时间窗口和‘火星冲日’并不是一个时间点。天文观测时代，‘火星冲日’时地火距离最近，是天文学家观测的最好时机;航天时代，更看重发射的时间窗口。”

　　地球到火星这么远，一共需要多少步?

　　专家介绍，探测器发射成功只是第一步，要圆满完成此次任务，“天问一号”还要经历六个阶段的考验。任务飞行过程包括发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等六个阶段。

　　第一个阶段是发射段。从点火开始，长征五号火箭经过约2180秒的飞行，器箭分离，成功将“天问一号”送入地火转移轨道，开启奔向火星的旅程。

　　第二个阶段是地火转移段，探测器太阳翼和定向天线相继展开，在测控系统支持下，飞行约7个月抵达火星，其间进行深空机动和中途修正。

　　第三个阶段是火星捕获段，也就是探测器从地火转移飞行变成火星卫星的过程。专家解释，此时探测器通过减速控制，在火星引力的牵引下，成为火星的卫星。

　　第四个阶段是停泊段，此时火星探测器将稳定飞行至预选着陆区的上方，为着陆做准备。当窗口期到来后，探测器开始降轨，环绕器与着陆巡视器分离。

　　第五个阶段是离轨着陆段，着陆巡视器进入火星大气层，通过减速着陆火星表面，环绕器则从停泊轨道升轨返回到停泊轨道，为着陆过程提供中继通信。

　　第六个阶段是科学探测段，着陆后，火星车与着陆平台解锁分离，火星车驶离着陆平台，开始巡视探测。与此同时，环绕器继续在轨道上进行科学探测，并为火星车提供对地面的数据中继服务。

　　任务这么难，要过多少关?

　　相比于月球探测，火星探测任务的难度更大。由于火星相对地球距离较为遥远，对发射、轨道、控制、通信和电源等技术都提出了很高的要求。张荣桥此前接受记者采访时表示，与以往的工程相比，火星探测工程的最大特点，是距离远、环境新。

　　“火星离地球最远4亿公里，我们以光速传播，约等于每秒30万公里，单程需要将近23分钟。什么概念呢?我从地面上发送一种指令，探测器要在23分钟后才能执行。这就给我们的测量、控制带来了新的难题。”张荣桥告诉记者，第二个挑战是环境新。“航天器设计的逻辑是先了解要去的环境，通过各种技术、手段、措施来保障航天器适应这个环境，但深空探测的特点是要去的是一个尚不确知的环境。尽管我们已成功实现月球的软着陆，但火星和月球的环境截然不同，大气、重力、光照都不相同，给探测器的设计带来很大难度。”

　　专家介绍，火星探测的关键环节非常多，从发射段、捕获段、两器分离、着陆过程中气动减速等等，每一个环节都面临各种挑战，给工程设计带来很多困难。

　　其中最为关键和核心之处，就是探测器进入火星大气后气动外形和降落伞减速的过程。由于地球与火星距离遥远，整个过程无法由地面实时控制，必须依靠探测器自主完成。这一过程被人们形容为“黑色7分钟”，此前就有一些火星探测任务在这一过程中“折戟”失利。

　　据介绍，着陆器进入火星大气层的速度高达18000KM/H，这一速度是高铁列车最快时速的50倍!超高速摩擦将会产生恐怖的温度，经历了上千度高温的考验后，降落伞将帮助火星车进行减速。随后火星车将开启全自动驾驶模式，自主完成减速、悬停，避开火星表面复杂地形后，缓缓降落至火星表面。

　　去年11月，在河北怀来的地外天体着陆综合试验场，中国火星探测任务首次亮相，模拟了着陆器在火星环境下悬停、避障、缓速下降的过程。张荣桥介绍，当着陆器运行到距火星表面100米左右时，要将其速度减到相对零，就是悬停状态，利用探测器所携带的仪器设备，对下方的着陆区进行选择，尽量选择一个相对安全的地方。到了距离火星表面一两米时，利用着陆反冲装置(着陆腿)来降低着陆时产生的振动力。“从气动减速、降落伞减速到动力减速、悬停、最后下降等过程，只能依靠探测器上的GNC(导航、制导、控制)系统自主执行。奔火7个月，亿里迢迢走过去，最后成功与否就看能否挺过这‘黑色7分钟’。”