今年“中國航天日”期間，國家航天局宣布中國行星探測任務(wù)命名為“天問”系列，包括火星采樣返回、小行星探測、木星系探測等系列任務(wù)。星辰大海，中國來了!

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

因為火星軌道和地球軌道的周期不一樣，所以地球到火星的距離是一種動態(tài)的關(guān)系。

地球、火星會大約每26個月會接近一次，實際數(shù)值在764天到812天之間波動。

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)省燃料和飛行時間，前往火星就是概略沿著這個最短距離前往火星的。

因為從地球出發(fā)具有公轉(zhuǎn)軌道上的初速度，所以這條路徑會看起來類似一根拋物線，這根拋線就被稱為霍曼轉(zhuǎn)移軌道。

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

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，從這一點往前推，刨去飛船飛行所用的時間，就是飛船出發(fā)的時間，而這一小段時間就是所謂的發(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2020窗口期，中美攜手(角逐)!

所以，過了2020年，可謂是“過了這個村，沒了這個店“，下一個發(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，目前還剩下中國的“天問一號”、美國的“毅力號”、阿聯(lián)酋的“希望”號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，美國助研，日本助飛，你想想馬云拍功夫片吧，咱就不說了吧。

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年來火星探測任務(wù)(表中除火星快車，ExoMars 2016外，其余均為美國)

人類對火星的探索由美國率先發(fā)起，1964年11月28日，NASA發(fā)射的水手4號是第一個訪問火星的探測器，緊接著是美國的維京1號首次登陸火星，自此以后，前蘇聯(lián)、歐洲、印度等也參與進(jìn)來，至2019年，人類共進(jìn)行了55次探索火星的任務(wù)，但美國仍是該領(lǐng)域絕對的霸主，也憑借著多年的耕耘，美國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

2011年，中國的”螢火1號“也曾搭載俄羅斯Phobos-Grunt探測器上試水，但變軌失敗，未能如愿。

印度在探測火星方面運氣還不錯，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個到達(dá)的國家，也是第一個成功的亞洲行星際任務(wù)。當(dāng)然，其成功也少不了美國的幫助(干啥那么積極啊?)，其重要的深空通信和導(dǎo)航都是依賴于美國的中繼網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。

現(xiàn)在，中國的天問一號任務(wù)趁著嫦娥系列探月任務(wù)成功的強(qiáng)勁勢頭(目前只有美、中成功登陸過)，借鑒美國探火的成功經(jīng)驗，立足國家科技實力和發(fā)展需求，瞄準(zhǔn)研究熱點，實現(xiàn)了多項創(chuàng)新和跨越式發(fā)展：

天問1號著陸巡視器，其中火星車重約240千克

1、任務(wù)起點高，技術(shù)跨度大：天問一號首次火星探測任務(wù)將通過一次任務(wù)，實現(xiàn)“繞、著、巡”，著陸有效質(zhì)量僅次于好奇號(好奇號的總質(zhì)量為899千克)，環(huán)火探測能力與國際相當(dāng)。

2、探測方式創(chuàng)新：首次一次同時實施環(huán)繞探測和巡視探測，天地協(xié)同、相互驗證、互為補(bǔ)充，將對火星的水冰、土壤、空間環(huán)境、物理場和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行探測;

3、面臨全新考驗：火星大氣層極其稀薄，著陸巡視將面臨全新的環(huán)境，火星探測可謂極其兇險，目前55次任務(wù)中，只有25個完全成功，占45.5%，不過，隨著人類對火星的逐步了解，成功率是不斷提升，自2001年以來的16個任務(wù)中，有12個成功，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捕獲、進(jìn)入著陸、表面巡視、長期自主管理、行星際測控通信等關(guān)鍵技術(shù)，使我國深空探測技術(shù)能力和水平進(jìn)入世界航天第一梯隊，實現(xiàn)深空探測技術(shù)的跨越。

綜上，天問一號可以說是高起點、多任務(wù)、跨躍式創(chuàng)新，花最少的錢辦最多的事!

作為中國“天問系列”行星探測任務(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，會持續(xù)幾個月詳細(xì)勘察著陸地)、離軌著陸5步進(jìn)行;

天問一號火星車從進(jìn)入艙抵達(dá)火星地表

“天問一號”火星探測器包括環(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。

火箭從中國文昌航天發(fā)射中心發(fā)射升空

1、入軌載具：長征5系列“運載火箭”

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

天問一號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，并開展繞火科學(xué)探測。

著陸巡視器通過傘降和反推發(fā)動機(jī)減速，軟著陸于火星表面。

火星車從著陸平臺上分離以后，就可以在火星表面開展工作了。

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號著陸器著陸地位于同一區(qū)域

4、“恐怖 7 分鐘”

美國洞察號的著陸過程，毅力號將沿用這一著陸方式

天問一號同樣要經(jīng)歷降落階段的“恐怖7分鐘，需要在7分鐘內(nèi)將時速要從2萬千米降到0，在人類現(xiàn)有 44 次火星探測中，能夠安全度過這 7 分鐘的僅有 9 次。

去干啥?

火星探測任務(wù)及有效載荷

首要科學(xué)問題是在探測火星上的生命活動信息;

其次是火星磁層、電離層與大氣層的探測與環(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期改造與今后建立人類第二個棲息地。

天問一號環(huán)繞器配置了中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、環(huán)繞器次表層探測雷達(dá)、火星礦物光譜分析儀、火星磁強(qiáng)計、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;

天問一號火星車配置了火星表面成分探測儀、多光譜相機(jī)、地形相機(jī)、火星車次表層探測雷達(dá)、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀共6種有效載荷。

來看看美國的毅力號

美國的探測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”號火星車攜帶了7臺儀器：桅桿相機(jī)、火星環(huán)境動力分析儀、火星氧元素原位資源利用實驗儀、X射線巖石化學(xué)行星載荷、火星次表層雷達(dá)成像實驗儀、宜居環(huán)境有機(jī)物和化學(xué)物質(zhì)拉曼與冷發(fā)光掃描探測儀、超級相機(jī)

桅桿相機(jī)是一種多光譜安裝在毅力號的桅桿上。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，從而記錄一些動態(tài)的現(xiàn)象，如沙塵 暴、云的活動和天文現(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。 通過這個載荷，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。同時也可以獲取大氣與表面相互作用的信息， 從而評估現(xiàn)今的大氣和天氣狀況。

火星環(huán)境動力分析儀是一套用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器集合，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驗儀能夠消耗火星大氣中的二氧化碳來 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。這個載荷不僅能在該任務(wù)中驗證原位資源利用技 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，為人類探測火星任務(wù)做準(zhǔn)備，也能測量大氣塵 埃的大小和形態(tài)，了解塵埃對火星表面環(huán)境的影響。

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

火星次表層雷達(dá)成像實驗儀是一個探地雷達(dá)，能夠發(fā)射150 MHz～ 1.2 GHz頻率的雷達(dá)脈沖信號，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)過程中工作，并 能夠運行在不同模式?；鹦擒嚸啃旭?0 cm，其會默認(rèn) 切換成深部穿透或淺部穿透模式。該儀器預(yù)計能獲取 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。該儀器對于芳香族有機(jī)物和碳聚合物的探測非常 靈敏，也可以探測到脂肪族有機(jī)物。除了有機(jī)物，還 能夠檢測到粒度在20 μm以下與水環(huán)境相關(guān)的礦物

超級相機(jī)是一個遙感載荷，包含有遙感光學(xué)測量和激光光譜儀，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個光譜儀：①激光誘導(dǎo)剝蝕光譜儀 ，使用1 064 nm的激光探測7 米以內(nèi)的目標(biāo); ②拉曼光譜儀，使用532 nm的激光探測12 米以內(nèi)的目 標(biāo);③時間分辨熒光光譜儀;④可見光和紅外反射光譜儀，波長范圍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，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。

對比結(jié)論

從次表層雷達(dá)成像、光學(xué)相機(jī)等載荷來看，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)的探測深度和分辨率2者相當(dāng)。

毅力號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”這個關(guān)鍵詞頻繁的出現(xiàn)在毅力號的相關(guān)載荷中，為什么，因為，毅力號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的衰變來供電，它可以提供110瓦的電力，在太陽光強(qiáng)較弱的火星對支撐多項大功率載荷(如激光)等方面具有重要作用。

美國在同位素溫差發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域深耕多年，具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。1996年發(fā)射的“火星探路者”、2003年發(fā)射的“勇氣號"和“機(jī)遇號”就早已使用了放射性同位素，所以你看不到它們的太陽能電池板，因為不需要，其核電池的輸入功率和能量轉(zhuǎn)換率都具有很大的領(lǐng)先優(yōu)勢。

另外，美國在著陸技術(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

我國行星探測工程圍繞太陽系起源與演化、小天體和太陽活動對地球的影響、地外生命信息探索等空 間科學(xué)重大問題，在 2030 年前安排了 4 次探測任務(wù)。 以火星探測為重點，按照“一步實現(xiàn)繞著巡、二 步完成取樣回”的發(fā)展路線，在2020 年實施首次火星探測任務(wù)，2030 年前后實現(xiàn)火星取樣返回探測任務(wù)。

另外將開展一小一大兩類太陽系天體原位探測，2024 年前后實現(xiàn)小行星探測，2030 年前后實施木星系及行星際探測，這兩次任務(wù)均是一次任務(wù)實現(xiàn)多個目標(biāo)， 體現(xiàn)了我國深空探測多目標(biāo)、高科學(xué)產(chǎn)出的特點。

我國已成功實施了“嫦娥一號”、“嫦娥二號”、“嫦 娥三號”、“嫦娥五號”再入返回試驗”以及“嫦娥四號” 共五次任務(wù)。這些任務(wù)的圓滿實現(xiàn)，標(biāo)志我國已掌握 了月球探測的多項關(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和開展更遠(yuǎn)距離深空探測的基礎(chǔ)。

相信依靠中國強(qiáng)大的制度優(yōu)勢與戰(zhàn)略執(zhí)行力，中國在深空探測領(lǐng)域必將從跟跑到并跑直到領(lǐng)跑!

關(guān)鍵詞： 天問一號