“天问一号”发射升空！关于火星探测，你需要知道的都在这里

小科

23日12时41分，中国首个火星探测器“天问一号”搭乘长征五号遥四运载火箭，在中国海南文昌航天发射场发射升空。作为国首次执行火星探测任务，“天问一号”的任务目标是通过一次发射，实现火星环绕、着陆和巡视探测，获取火星探测科学数据。根据计划，经过约200天的飞行后，探测器将抵达火星轨道，于2021年2月11-24日环绕火星运行，并于2021年4月23日降落一台火星车到火星表面，进行时长90个火星日的探索工作。
　　通常来说，火星探测有三种方式：在轨道上绕火星飞行进行较远距离探测的环绕器，降落到火星表面，原地进行探测和实验的着陆器，以及能在火星上运动的巡视器（火星车）。而我国计划在首次火星探测项目中一次性实现“绕”、“落”、“巡”三大任务，这在世界航天史上还没有过先例。
　　在此次火星探测任务中，“天问一号”将完成哪些任务？有望在哪些领域为我们带来全新的发现？目前我们对火星的了解又到了什么程度？在“天问一号”抵达火星之前，先来了解一些基本信息吧。
　　“天问一号”的多项任务
　　火星是太阳系中与地球环境最为相似的行星，了解火星对研究地球早期历史和生命起源有着重要价值，也对人类拓展生存空间具有重要意义。如果“天问一号”探测任务成功完成，将为我们提供关于火星的大量全新信息。
　　例如，为了绘制火星的地质结构图，环绕器和火星车都配备了探地雷达。环绕器上的雷达可以“看透”几千米深的地层，而火星车上的雷达虽然看不到这么深，但分辨率却能达到厘米级。这或许能帮助我们了解火星地表以下的水冰分布。
　　而“天问一号”另一项激动人心的任务，是探测火星的磁场。目前有理论认为，火星曾拥有和地球类似的磁场。然而随着火星内核中熔融的铁逐渐冷却，它的磁场也逐渐减弱甚至消失。失去了地磁场的火星被暴露于太阳风和辐射下，并导致其失去了地表水和大气。火星的磁场究竟发生过怎样的变化？“天问一号”环绕器与火星车将为我们提供更多的证据。
　　除此之外，环绕器和火星车还将搭载矿物光谱仪、高能粒子分析仪、激光击穿光谱仪等多种仪器。这些设备将帮助远在地球的科学家研究火星岩石、土壤和大气的成分，更好地了解火星环境。
　　“天问一号”火星车的设计寿命为90个火星日（一火星日约为24小时40分钟）。这将成为中国航天者向太空发问的第一步，也是中国航天走向深空的里程碑。
　　
　　“天问一号”着陆器及巡视器（图片来源：CNSA）
　　关于火星，我们了解多少？
　　近些年来，一些欧美国家的火星探测器取得了一些重要的发现，也提出了更多关于火星的疑问。我们期待着，即将抵达火星的“天问一号”将揭开其中部分问题的真相。
　　火星上有生命吗
　　火星上存在生命吗？如果说目前火星严酷的条件似乎难以支持生命活动，但多项研究已经证实，早期的火星曾有大量液态水，甚至10亿年前火星表面可能仍有河流，那么火星上曾经有过生命吗？对此，科学界目前还没有明确的答案。不过，在近期的研究中，“好奇”号还是发现了一些可能与生命有关的迹象。
　　2018年，“好奇”号的两项研究同时登上《科学》杂志。其中一篇，“好奇”号在火星地表具有30亿年历史的沉积岩中，发现了一些稳定的有机分子。这些有机分子包含碳元素和氢元素，同时可能含有氧、氮等其他元素。不过，有机分子虽然与生命联系紧密，但它们也可能由非生物反应过程产生，因此不能作为证实火星生命的确凿证据。另一篇论文则是发现了火星大气中甲烷含量的周期性变化。同样，这些信号可能来自生物反应，但更大的可能性是水和岩石的化学反应。因此，火星生命的答案，仍需等待今后的火星车探测。
　　火星上有多少水
　　火星生命的疑问悬而未决，但作为维系生命的基本元素——液态水，已经有了初步的答案。在2018年，《科学》杂志的一篇论文给出了火星存在液态湖泊的证据。利用欧洲航天局“火星快车”号探测器搭载的MARSIS雷达系统，意大利科学家在火星南极1.5千米厚的冰盖下首次发现大面积液态水。这是一片至少有数米深、直径约20千米的湖泊。尽管高盐度让这个直径达20千米的湖泊很难成为常见生命的摇篮，但研究人员认为，在火星的其他区域，还有可能存在更多地下液态水。这项研究也为进一步的火星生命搜寻提供了线索。
　　
　　来源：欧洲航天局
　　除此之外，火星勘测轨道飞行器（MRO）也在更早的时候也通过高分辨率的拍摄，观测到了火星温暖的陡坡上的深色条纹（季节性斜坡线），研究人员认为这种特征性的图案是盐水流过的证据，这样的条件也为微生物的生存提供了可能。不过这项证据仍有争议，2017年也有研究提出了不同的观点：季节性斜坡线可能只是火星流沙的产物。
　　火星的大气去哪了
　　早期的火星曾是一颗有着广阔海洋和浓厚大气层的温润星球，但在漫长的演化过程中，火星的大气层几乎消失，失去大气层保护的火星也变得干燥、严寒。那么，火星的大气究竟去哪了？
　　2013年，NASA发射了火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）探测器。MAVEN探测器通过对火星大气与磁场的探测，发现了一些线索。研究发现，火星大气正以两种主要途径向太空逃逸。一种是离子逃逸，即太阳风吹向火星大气时，其中的带电粒子与大气中的分子碰撞，使得气体分子丢失电子，在太阳风带来的电场加速作用下逃逸。另一种逃逸方式是喷溅逃逸：在太阳风中高能粒子的撞击下，高层大气中的气体分子四处飞溅，其中一部分在这一过程中获取了足够的动能，逃脱火星的束缚。在太阳的生命早期，太阳风暴的频率和强度都远高于现在，星较弱的磁场也不足以对大气层构成有效保护。因此在两种机制的共同作用下，火星的海洋与大气层消失了。
　　火星上的“地震”活动是什么样的
　　
　　图片来源：NASA/JPL-Caltech
　　如果说之前的一系列探测器让我们了解了火星大气层、地表的一系列信息，那么2018年登陆的“洞察”号火星探测器则是首次窥视火星的内部结构。2019年4月，“洞察”号首次监测到了一次“很可能是火星震的活动”。如果得到证实，这将是人类首次观测到火星震。而截至2019年10月，“洞察”号已经捕捉到超过100次震动，其中21次极可能是“火星震”。目前，NASA科学家正在分析震动的原因。基于“洞察”号的这些研究不仅开启了“火星震学”这个全新的领域，还将帮忙我们重新认识火星的形成与演化。
　　“天问一号”将如何前往火星？
　　“天问一号”的火星之旅，将面临着很大的挑战。难度首先存在于在地火距离遥远以及对火星环境的不了解上。相比地月距离，地球与火星的距离非常遥远，最远时约为4亿千米，最近时也有约5600万千米。以我国这次将要发射的火星探测器为例，需要飞行200多天才能到达遥远的火星。这带来的首个挑战，就是在携带燃料有限的情况下，探测器如何能够飞越如此遥远的距离，这就需要研究者对探测器飞行轨道进行精密的设计。
　　
　　火星探测器飞行效果图。图片来源：国家航天局
　　根据计划，火星探测器会按照“霍曼转移轨道”飞行。在“天问一号”火星探测器发射升空后，会先在地球附近加速，进入霍曼转移轨道利用惯性保持飞行，惯性飞行过程中不需要消耗燃料。等到达火星轨道时，探测器会“刹车”降低速度，最终被火星捕获。这就是本次火星探测任务第一阶段的目标：环绕火星飞行。
　　
　　图片来源：国家航天局新闻宣传中心
　　若想成功进入霍曼转移轨道，对火箭的运载能力和入轨精度有很高的要求。月球探测器进入地月转移轨道所需的速度是10.9km/s，而火星探测器进入霍曼转移轨道的速度至少要达到第二宇宙速度（11.2km/s）。因此，这次发射任务使用了新一代运载火箭中推力最大的“胖五”——长征五号运载火箭。在成功进入太空后，整流罩中的火星探测器会与火箭“星箭分离”，独自飞向火星，这段旅程大概需要6~7个月。如果一切顺利，探测器预计于明年2月左右到达火星引力势场内，切入火星轨道，被火星捕获。这个捕获的阶段非常关键：在切入火星轨道时，如果切入点离火星太近，探测器可能会坠毁；如果太远，探测器可能无法被引力捕获而掠过火星。

　　若能成功切入火星轨道，再经过多次调整，环绕器就可以进行环绕探测了。这时我们将迎来本次火星探测任务的第二个阶段，也是最大的难点——火星着陆。火星探测器需要将4.8km/s的超高速，减到火星着陆时的0，这个过程只有7分钟左右，也被称为“恐怖7分钟”。着陆器何时开始减速进入火星大气、进入的姿态、进入的角度都需要精准的控制，然而问题在于，我们对于火星上的环境，尤其是大气状况的了解非常有限。再加上地火距离遥远，从地球发送到火星的单程无线电信号，单程延时为20分钟左右，难以依靠地球指挥着陆。
　　“天问一号”任务计划采用的减速方式将分为四个阶段进行。第一个阶段是气动减速段，探测器会踩下“急刹车”，在大约290秒内将速度从4.8 km/s迅速降低到460 m/s。接下来探测器将打开降落伞，在大约90秒后，速度会降到约95 m/s。随后进入第三个阶段——动力减速段，探测器的反推发动机开始工作，在80秒内将速度降到3.6 m/s以下。当探测器距离火星表面约100 m高时，就进入了最后的着陆缓冲段，探测器准备开始悬停避障。此时探测器的速度已经很慢了，探测器会自主观察火星表面，快速计算出最佳着陆点。最终它将水平移动到该点上方，伸出“四条腿”，并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。