中國“天問一號”即將發射，2020火星年，圍觀各國火星探測計劃

　　文學術頭條

　　自古以來，火星就帶有一種神秘、危險的色彩。

　　在我國古代，火星因為行蹤不定而被稱為“熒惑星”，古書上有“熒惑守心，天責帝君”“熒熒之火，離離亂惑”等描述，甚至是舊時陰陽家禁忌的兇神之一。而在西方，火星曾被認為是戰神瑪爾斯的化身，科幻片中也從未缺少它的身影。

　　火星在眾多天體中脫穎而出，深受人們的“愛戴”，是因為它與地球的相近與相似，給予人們了無限幻想與好奇。火星上是否存在生命？更是成為人們長久以來渴望一探究竟的事情。

　　從 1600 年，就有科學家開始使用望遠鏡對火星進行觀測；而自上個世紀 60 年代，美國和蘇聯展開了火星探測器前往火星的競賽，90 年代后更多的國家加入其中。由于前往火星的道路困難重重，許多探測器未能成功抵達火星就半路“夭折”。但是人類從未停下腳步。

　　火星年“三缺一”

　　2020“火星年”，新一輪火星探測的高潮，已經拉開帷幕。

　　火星離地球非常遙遠，是月球與地球距離的數百倍，目前最先進的探測器從地球飛到火星，大約需要七八個月。而又因為地球和火星都在圍繞太陽運轉，兩者的相對位置不斷變化，所以當它們距離最近時，即太陽、地球和火星同處一條直線上，此時發射探測器更加“經濟”。地球與火星的這個會合周期是 26 個月，所以每 26 個月會出現一次“寶貴”的火星探測發射窗口期。

　　2020 年有短短幾周時間，太陽、地球和火星成一條直線，地球與火星之間的距離最短，不到 5400 萬公里，是火星探測器發射的最佳時機，如果錯過這種情況直到 2022 年才會再次出現。

　　此前，已經公布了四大火星探測器發射計劃，分別是中國天問一號、美國毅力號、阿聯酋希望號(由日本 H-2A 火箭發射)，以及歐盟及俄羅斯的羅莎琳德·富蘭克林。

　　先行一步的是阿聯酋的希望號，北京時間 2020 年 7 月 20 日凌晨 5 點 58 分，阿聯酋首顆火星探測器“希望”號由日本運載火箭發射升空，發射地點位于日本的種子島航天中心。

　　而歐盟及俄羅斯的 ExoMars 2020 已經于三月中旬決定推遲到 2022 年發射，官網的名字也改為了 ExoMars2022，實錘成為“退群選手”。

　　接下來，我們就詳細盤點一下這四大火星探測計劃——

　　一號選手：中國-天問一號

　　發射時間窗口：2020 年 7 月 20-7 月 25 日

　　預計抵達火星軌道時間：2021 年 2 月 11 日-24 日

　　預計著陸器登陸時間：2021 年 4 月 23 日

　　來源：@央視新聞

　　據報道，我國計劃 7 月 23 日，在海南文昌航天發射場用長征五號遙四運載火箭擇機發射火星探測器天問一號。同步直播活動定于青海省海西州冷湖“火星營地”的冷湖實驗室，進行異地發射直播和報道。本次直播也是冷湖實驗室首次公開亮相。

　　據了解，選擇在青海冷湖火星營地的冷湖實驗室報道天問一號發射，是因為冷湖火星營地是中國首個火星模擬基地，在這片”地球上最不像地球的地方，模擬出未來人類移居火星后的生存環境，并進行“火星移居”的課題研究。而冷湖實驗室則是以 2040 年人類在火星和平谷地建設“火星移民先鋒營地"為目標，以培養火星移民工程師為主題的跨學科學習平臺。

　　青海火星營地（圖片來源：火星營地官網）

　　天問一號是中國行星探測任務名稱，該名稱源于屈原長詩《天問》，表達了中華民族對真理追求的堅韌與執著，體現了對自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學真理征途漫漫，追求科技創新永無止境。2020 年 4 月 24 日，中國行星探測任務被命名為“天問系列”，首次火星探測任務被命名為“天問一號”，后續行星任務依次編號。

　　天問一號由軌道器、著陸器、巡視器三個部分組成，將一步完成繞、落、巡三步，這將是世界上首次探索火星即完成軟著陸的任務。繞：軌道器環繞火星進行探測；落：著陸器軟著陸于火星表面進行固定位置的地面探測、巡：巡視器（火星車）在火星表面進行不固定位置的巡視探測。

　　它重 240 公斤，為毅力號的四分之一，大小相當于一輛小型高爾夫球車。火星車將攜帶 6 臺科學儀器，其中一臺為探地雷達（GPR），它和“毅力號”上的探地雷達將成為火星上的首批此類設備。探地雷達將幫助調查火星的地層、結構以及永久凍土或冰的存在。

　　天問一號將需要 7 個月時間飛抵火星，幾個月后才能釋放著陸器。在緩慢脫離著陸器后，太陽能火星車預計將在火星上運行至少 90 天，并使用軌道飛行器作為通訊中繼機。軌道飛行器將繼續運行大約一火星年（約 23 個月）。

　　此外，天問一號將使用我國獨立的深空網，西安衛星測控中心喀什深空站、佳木斯深空站將為其提供全程測控支持。相比探月任務，對火星探測器最遠將近 4 億公里的探測距離，以及近 7 個月的地火轉移時間，對測控通信系統而言將是前所未有的考驗。目前兩大該中心重點兩個深空站的對頻率綜合系統、多功能數字基帶、監視和控制系統設備軟硬件進行升級，為執行相關任務提供更加穩定、強大的測控保障。

　　二號選手：美國-毅力號

　　發射時間：2020 年 7 月 30 日美國東部時間上午 7:50
著陸時間：2021 年 2 月 18 日
著陸地點：杰澤羅隕石坑

　　美國的毅力號因為由于運載火箭突然出現的問題，截止與 7 月 1 日，已經計劃推遲到 7 月 30 日之后發射。此前，已經推遲過兩次發射時間。毅力號火星車的最終組裝和測試仍在佛羅里達州肯尼迪航天中心進行。

　　毅力號

　　毅力號的設計基于 NASA 成功的火星科學實驗室任務架構，包括其好奇號探測器和成熟的著陸系統，但再此基礎上做了升級。它的任務不僅要尋找火星上遠古宜居條件的跡象，還要尋找過去微生物生命本身的跡象。

　　它引進了一種新的鉆頭，可以收集最有希望的巖石和土壤的巖芯樣本，并將其擱置在火星表面的 "緩存 "中。這次任務還提供了收集知識和展示技術的機會，以應對未來人類遠征火星的挑戰。這些包括測試從火星大氣中生產氧氣的方法，確定其他資源（如地下水），改進著陸技術，以及描述天氣、灰塵和其他可能影響未來宇航員在火星上生活和工作的潛在環境條件。

　　毅力號身上總共安裝了五款成像工具；首先是桅桿頭上的 SuperCam（位于大的圓形開口中），其次是兩個位于桅桿下方灰框中的 Mastcam-Z 導航攝像頭。激光、光譜儀、SuperCam 成像儀將用于檢查火星的巖石和土壤，以尋找與這顆紅色星球的前世有關的有機化合物。兩臺高分辨率的 Mastcam-Z 相機能夠與多光譜立體成像儀器一起工作，以增強毅力號火星車的行駛和巖心采樣能力。

　　三號選手：阿聯酋-希望號

　　發射時間：2020 年 7 月 20 日凌晨 5 點 58 分（已成功發射）
預計到達時間：2021 年 2 月
運載火箭：日本三菱重工研制的 H-IIA 火箭

　　阿聯酋之所以將首個火星軌道飛行探測器部署任務命名為“希望”（阿拉伯語 al-Amal），表達了作為傳統戰略資源國家渴望轉型，開辟新的地外資源出路希望。

　　為了保證研發的進度和發射速度，阿聯酋選擇了具有強大航天實力的美國和日本作為合作伙伴。

　　希望號的研制工作，聯合了美國科羅拉多大學博爾德分校、亞利桑那州立大學、加州大學伯克利分校，由 150 名阿聯酋工程師與 200 名來自美國合作機構的工程師和科學家，合作完成。希望號探測器由阿聯酋和美國科羅拉多大學波德分校聯合研制，重 1.35 噸，大小與一輛轎車相仿。由兩個太陽能發電板供電，總功率 1.8 千瓦，這和家用電水壺的功率差不多。探測器搭載有直徑 1.5 米的高增益天線以及若干低增益天線。此外，探測器利用恒星跟蹤定位儀來進行導航。

　　希望號 （圖片來源：MBRSC）

　　此外阿聯酋還選擇了美國深空網（DSN）對火星探測任務的希望號航天器進行跟蹤、導航與通信而建立的地基全球分布測控網。

　　在運轉火箭方面，選擇了日本三菱重工的 H-IIA 運載火箭。直徑 4 米，高度 53 米，屬于捆綁式兩級火箭。火箭芯級采用氫氧發動機，外加 2 或 4 枚固體火箭助推器（根據執行任務不同進行調整）。近地軌道的運載能力為 10 到 15 噸，地球同步轉移軌道的運載能力為 4 到 6 噸。它的運載能力與我國的長征三號乙火箭相當。

　　希望號運行過程展示（圖片來源：MBRSC）

　　希望號上攜帶了三種先進的科學儀器，分別是 EMIRS:阿聯酋紅外光譜儀，EXI：阿聯酋勘探成像儀以及 EMUS：阿聯酋紫外線光譜儀。主要研究火星大氣，并提供其完整的圖片。通過描述火星的底層大氣來了解氣候動態和火星全球天氣圖，并將低層大氣條件和高層大氣聯系起來，說明天氣如何改變氫和氧的逸出。了解高層大氣中氫和氧的結構和變異性，并確定如何損失到太空中的。

　　四號選手：歐盟及俄羅斯-羅莎琳德·富蘭克林

　　歐盟及俄羅斯的 ExoMars 2020 已經于三月中旬決定推遲到 2022 年發射，官網的名字已經改為了 ExoMars2022，實錘成為“退群選手”。值得一提的是，這已經是 ExoMars 計劃，第六次推遲了。

　　羅莎琳德·富蘭克林的主要任務是用鉆頭搜集并研究火星地表下最深兩米的地質樣品，和毅力號一樣，希望可以尋找到可證明生命存在的生物分子或生物標記物。同時研究火星的水和化學環境如何變化和研究大氣中的痕量氣體及其來源。

　　羅莎琳德·富蘭克林（圖片來源：ESA）

　　ExoMars 最新任務時間線（圖片來源：ESA）

　　60 年火星探測歷程

　　人類使用空間探測器進行火星探測的歷史幾乎貫穿整個人類航天史。

　　幾乎就在人類剛剛有能力掙脫地球引力飛向太空的時候，第一個火星探測器也開始了它的旅程。雖然最早期的探測器幾乎都失敗了，但火星探測就是在一次又一次的失敗中不斷前進。
60 年代

　　火星探測起步于 60 年代美蘇的“太空競賽”。

　　1960 年 10 月 10 日，前蘇聯向火星發射了第一枚探測器。

　　1962 年 11 月 1 日，前蘇聯向火星發射了火星 1 號，這枚探測器成功進入了前往火星的軌道，隨后在到達火星的過程中失敗。

　　1964 年美國發射的水手 4 號，是第一個成功的火星探測器是。水手 4 號于 12 月 28 日發射升空，這是有史以來第一枚成功到達火星并發回數據的探測器，它向地球發回了 21 張照片，此后又在環繞太陽軌道上花費三年時間對太陽風進行探測。

　　1969 年美國向火星發射了水手 6 號和水手 7 號。前者于 2 月 24 日發射升空，7 月 31 日抵達火星。后者于 3 月 27 日發射升空，8 月 5 日抵達火星。這兩枚探測器攜帶有更先進的儀器和通訊設備，它們成功掠過火星，對火星大氣成分進行分析，并發回了大量照片。

　　70 年代

　　1971 年蘇聯發射火星 3 號成為了首顆在火星著陸的探測器，它只工作了 20 秒。

　　1971 年 5 月 30 日，美國水手 9 號發射升空，這是有史以來第一枚成功進入環繞火星軌道的探測器，取得了空前的成功。水手 9 號于 1971 年 11 月 14 日到達火星，在火星軌道上工作了將近一年之久，發回了 7329 張照片，覆蓋了火星表面超過 80% 的部分，同時還對火星的兩顆衛星進行了探測。

　　1975 年 8 月 20 日美國發射的海盜 1 號，是美國國家航空航天局維京號計劃中兩艘飛往火星中的第一艘，它花費 10 個月航向火星，軌道太空船在進入火星軌道前五天開始傳回火星全球照片，成為全球首個能成功登陸火星的衛星。

　　1975 年 9 月 9 日發射海盜 2 號，主要研究火星溫度、磁場、風速、風向、X射線光譜，于 1976 年 8 月 7 日進入火星軌道。1976 年 9 月 3 日成功著陸于烏托邦平原。

　　80-90 年代

　　從 1976 年此后的近二十年，火星探測都沒取得新的進展，直到：

　　1996 年，美國的火星環球偵測者號發射成功，這枚探測器持續工作了 10 年，直到 2006 年才失去訊號聯絡，它是最成功的火星探測任務之一。它利用所攜帶的一些專業儀器，進行海拔高度測量，科學家繪制了火星的地形圖。

　　1998 年 7 月 3 日，日本希望號火星探測器于發射升空，是日本第一個火星探測器，也使日本成為世界上第三個發射火星探測器的國家。日本火星探測器希望號在艱難地飛行了 5 年之后，最終于 2003 年 12 月 9 日被放棄。至此，日本的首次火星探測行動宣告失敗。

　　00 年代

　　時間進入 00 年代，歐盟和中國也加入火星探測的行列中。而美國在該時期迎來了火星探測“大爆發”，遙遙領先于其他國家。

　　2001 年，美國奧德賽號，美國國家航空航天局的火星探測衛星，主要任務是尋找水與火山活動的跡象。

　　奧德賽號

　　2003 年，美國火星探測漫游者，這項計劃的主要目的是將勇氣號和機遇號兩輛火星車送往火星，對火星這顆行星進行實地考察。勇氣號在執行任務期間，曾首次找到火星上曾有水存在的證據，并從火星上拍攝到了地球的照片。而機遇號截至 2018 年 1 月 25 日，已在火星漫游 14 年多，取得了很大的成績，并與 2019 年 2 月 13 日任務結束。

　　2003 年，歐洲航天局的火星快車探測器發射升空。

　　2005 年，美國火星勘測軌道飛行器，它的任務是將一枚衛星送往火星，以前所未有的照相機分辨率對火星這顆紅色行星進行詳細考察，并且為往后的火星地表任務尋找適合的登陸地點。

　　2007 年，美國鳳凰號火星探測器，鳳凰號火星著陸探測器在著陸地點附近挖到的發亮物質是冰凍水，從而證實火星上的確存在水。這也是人類通過探測器在地球以外首次獲得冰凍水樣本。除此之外，“鳳凰”號還首次發現火星降雪，還找到了火星上存在碳酸鈣和粘土的線索。

　　2007 年，歐洲航天局的“羅塞塔”彗星探測器靠近火星飛行，順利完成利用火星引力調整飛行速度和軌道的任務。

　　2007 年 6 月中俄正式簽署合作協議，中國火星探測計劃中的第一顆火星探測器螢火一號計劃于 2009 年搭載俄羅斯的聯盟號運載火箭發射，但計劃推遲與 2011 年。

　　10 年代

　　“太空競賽”迎來了黑馬選手-印度，美國繼續保持強勢的領先勢頭，中國重啟火星探測計劃。

　　2011 年，美國好奇號火星探測器，好奇號發現了拍攝了大量火星日偏食，首次發現不明物似金屬碎片，發現鐵證證明火星上有水，發現火星有機物，測定巖石年齡為 38.6~45.6 億年之間等。

　　好奇號

　　2011 年，中國的螢火一號由于俄方的福布斯－土壤號火星探測器變軌問題，發射失敗。

　　2012 年，印度總理辛格在宣布發射計劃。

　　2013 年 11 月 5 日，曼加里安號在斯里赫里戈達島航天發射場發射升空。此次搭載火星探測器的極軌衛星運載火箭在飛行近 45 分鐘后將“曼加里安”號送入地球周邊的橢圓型軌道。2014 年 9 月 24 日，印度“曼加里安”號火星車成功進入火星軌道，印度成為全球第 4 個成功進行火星探測的國家或組織。

　　2018 年，美國洞察號成功著陸，根據洞察號無人探測器提供的數據，美國航天局開始在網上發布火星每日天氣報告，提供火星氣溫、風速、氣壓等信息。

　　當前火星著陸點

　　迄今為止人類向火星發射過的探測器

　　火星探測的未來

　　火星作為距地球最近的類地行星之一，是人類最想登陸的行星，也是目前人類最有可能移居的星球。火星探測是繼月球探測之后深空探測的最大熱點，是各大國爭相逐鹿的新目標，是掌握太空探索的制高點。

　　探索火星的過程，不僅僅是航天科技和深空探測水平的科技方面的巨大提升，更對人類文明的進程及探索宇宙與生命的意義有著非同尋常的影響。除此之外，也會產生一系列副產品與成果，實現大量的經濟價值，使眼前的人類社會受益，其深遠意義或將超過阿波羅登月。各大國都希望在火星探測中搶占前排席位，掌握主動權和話語權。

　　除此之外，即使火星探測難度非常之大，在民營航天領域，熱度也居高不下。Space X 的馬斯克是火星的“狂熱粉絲”，更是希望在有生之年可以移民火星。因此前往火星一直是 SpaceX 的首要任務，此前將宇航員送入太空，只是幫助人類完成踏入太空目標的基礎，而星艦飛船才是實現人類星際旅行夢想又或者說馬斯克夢想的重要一環。

　　在美國東部時間 5 月 30 日承載著 NASA 兩名宇航員的 SpaceX 載人航天器成功發射升空后，Space X 做了一系列動作，彰顯出他們奔向火星的野心。馬斯克在推特上稱：通往火星的大門已經開啟。

　　火星移民暢想

　　以當前的科技發展狀態來看，火星探測的道路是困難重重布滿荊棘，但是這并不能阻擋住人類向往火星的執著與熱情。從古時候肉眼觀測、想象火星，到用望遠鏡第一次看到火星表面，再到現代科技實現火星探測著陸、全方位了解火星。每一步，人類都走的堅定。因此我們有理由相信，火星探測的未來是光明的。也許有生之年我們真的可以見證移民火星。

　　資料來源：

　　https://space.gov.ae/Page/20121/20167/Hope-Probe

　　https://www.sciencemag.org/news/2020/06/mars-mission-would-put-china-among-space-leaders

　　https://www.sciencemag.org/news/2020/06/nasa-s-new-rover-will-collect-martian-rocks-and-clues-planet-s-ancient-climate

　　https://www.mbrsc.ae/emirates-mars-mission

　　https://www.labroots.com/trending/space/17990/china-launch-mars-mission-july

　　https://baike.baidu.com/item/%E6%AF%85%E5%8A%9B%E5%8F%B7/24512662?fr=aladdin

　　https://exploration.esa.int/web/mars/-/46048-programme-overview

　　https://www.nasa.gov/perseverance/overview

　　http://www.cnsa.gov.cn/http://www.spacechina.com/n25/index.html