火星，中国来了！“天问一号”升空，这些“硬核”知识讲给孩子听

2020-07-25 18:09:42　　来源：教育部新闻办

　　火星

　　中国来了！

　　7月23日

　　海南文昌航天发射场

　　我国首次火星探测任务

　　“天问一号”探测器

　　由长征五号遥四运载火箭发射升空

　　并成功送入预定轨道

　　中国由此

　　迈出了行星探测第一步

　　△“天问一号”长这样↑↑↑

为什么取名叫“天问”？

本次火星探测任务中的“天问”一词，出自我国浪漫主义诗人屈原所著《楚辞》中的同名长诗《天问》，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。

　　中国行星探测任务被命名为“天问”系列，首次火星探测任务则被命名为“天问一号”，后续行星任务依次编号。

　　“天问一号”要问什么？

中国首次火星探测任务设定了五大科学目标：

　　>火星形貌与地质构造特征

　　>火星表面土壤特征与水冰分布

　　>火星表面物质组成

　　>火星大气电离层及表面气候与环境特征

　　>火星物理场与内部结构

　　为去火星，“天问一号”有多拼？

为了揭开火星的神秘面纱，“天问一号”真的拼了！

　　“天问一号”火星探测器分为环绕器与着陆巡视器两部分，其中着陆巡视器又由进入舱和火星车组成。它的总重量接近5吨，是目前我国发射的重量最重的深空探测器。其中，火星探测器搭载了13个有效载荷，火星环绕器携带7台科学仪器，火星车将携带6台仪器，将对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等科学探测，建立起对火星全面而基础的认识。

△“天问一号”着陆器与火星车分离动画想象图

　　它乘坐的长征五号遥四火箭，更是飞出了我国运载火箭的最快速度——火箭托举“天问一号”探测器加速到超过11.2千米/秒的速度之后完成分离，这是完全摆脱地球引力的第二宇宙速度。

　　△执行我国首次火星探测任务的长征五号遥四运载火箭。张高翔/摄

　　它将在地火转移轨道上经历约7个月的飞行，在地面测控系统的支持下，经过4次中途修正和1次深空机动修正飞行路径，逐渐飞近火星，在近火点实施制动，被火星捕获，成为火星的人造卫星。

　　为什么要去火星？

从科学研究上考虑，在太阳系八大行星中，火星是最“像”地球的那一个，环境与地球最为相似。两者几乎都形成于约45亿年前，组成结构也大致相同，有核、幔、壳。火星与地球有着相似的自转周期，一个火星日大约是24小时39分钟，而且它还和地球一样，也有四季更迭。

　　此外，火星的表面温度大约在零下133摄氏度到零上27摄氏度之间，拥有高山、平原和峡谷等多种地形，在太阳系类地行星中，与地球最为接近。还有明确证据证明，火星上曾经存在过水。

　　通过探测火星可获得丰富的第一手科学数据，对研究太阳系起源及演化、生命起源及演化等重大科学问题具有重要意义。

　　去火星怎么“走”？

地球与火星之间的距离不是一成不变，而是处于不断变化中，最远时在4亿公里以上，最近时有5500万公里，是地球和月亮距离的140倍，想要靠火箭的动力突破这一距离，难度极大。因此，在飞行过程中，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年提出的“霍曼轨道”。我们需要借助地球的公转速度沿着一条连接地球与火星的椭圆形轨道把飞船“甩”到火星——这个连线就是霍曼轨道。

　　但是，把飞船“甩”到火星需要合适的时机才能实现，这一过程这样的时机被称为“发射窗口”，今年7月下旬至8月上旬是一个难得的时间窗口，这样的机会每隔26个月才有一次。所以这次发射，就是赶上了这个“窗口期”。

　　基于现有航天能力，航天器将经历发射段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段、离轨着陆段和科学探测段六个阶段，飞行约7个月，最终抵达火星。

　　去火星，到底有多难？非常难！

发射任务难。作为我国首次火星探测任务，“天问一号”将通过一次发射任务，实现对火星的“环绕、着陆、巡视”三个目标。这意味着，中国首次火星探测任务，不仅要实现环绕火星的全球遥感探测，还要突破火星进入、下降、着陆、巡视、远距离测控通信等关键技术。如果做成，这将是全世界首次在一次任务中完成三个目标。

　　信息传输难。火星最远时距离地球4亿公里，是地月距离的1000倍。距离越远，不仅信号传输时间越长，更重要的是信号衰减也越剧烈。遥远的火星为地球与探测器之间的通讯带来了更大的挑战。

　　精准着陆难。有人曾比喻，让火星探测器精准着陆，相当于从巴黎击出一只高尔夫球落在东京的一个洞里。目前，人类已对火星实施了40余次探测任务，其中成功率不到一半——这让这颗红色星球至今还保有“探测器坟场”的称号。

　　另外，探测器还必须经历一次成功的“刹车”和“恐怖七分钟”。

　　火星探测器从地球飞向火星的过程中，能够被火星引力所捕获形成环绕轨道的机会只有一次。此时探测器相对于火星的速度约为4-5千米/秒。就像两辆高速行驶的汽车，只有前进方向一致、相对速度为零时，才能并驾齐驱。因此，探测器在接近火星后，必须把握住唯一的机会，利用自身携带的推进剂点火减速，最终实现被火星的捕获。

　　而着陆巡视器在进入、下降与着陆过程中，要在数分钟内将时速从近2万千米降低到零。这过程中电磁信号是完全被屏蔽掉的，要完全依靠着陆器的自身本事，因此也被称为“恐怖7分钟”。

　　因此，在火星着陆，可谓“危险重重”。

　　从地球到火，这是一次艰辛的跋涉，也是一次充满奇迹、充满发现的征程。宇宙浩瀚，拥抱广袤未知的世界；星光灿烂，开启行星探测大门。

　　火星，中国来了