人类为何对探测火星兴致盎然？中国处于什么水平？

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◆中国在火星探索领域是后来者，但起点相当高

◆“田文一号”将同时执行“盘旋和巡逻”三项任务。然而，在其他国家，第一次去火星的任务大部分是被包围，或者甚至被包围，或者甚至没有被包围，只是飞行，而且从来没有一出现就完成一整套任务。

◆“如果说第一次热潮的主题是最快的第一次检测竞赛，那么第二次热潮的主题应该是最深入的第一次科学竞赛。”

◆从科学上讲，“田文一号”是研究火星形态、地质、矿物学、环境、土壤、水和冰分布最全面的课题

2020年7月23日12时41分，长征五号丁运载火箭搭载了中国首次火星探测任务——田文一号探测器，并在中国文昌航天发射场点火。

“田文一号”将搭载中国首个火星探测任务，登陆火星表面，完成巡逻探测，获取火星科学数据，实现火星“盘旋、着陆、巡逻”三大目标。

火星探测器的成功发射只是长征的第一步，田文一号将进入地球火转移轨道，进入火星轨道大约需要7个月。之后，根据预定计划，“田文一号”将被火星引力捕获，在地面测控系统的支持下进入绕火椭圆轨道，并运行到选定的着陆窗口。

第二步完成后，“田文一号”将减速并落入火星大气层，进入所谓的“死亡7分钟”时间。由于火星离地球太远，信号来回传输需要十分钟，而整个着陆时间只有七分钟，这意味着着陆过程不能人工干预，而是由田文一号上的着陆程序完成。

成功着陆后，漫游者将从着陆平台行走到火星表面，进行大约90天的探索作业。

为什么去火星

你为什么想探索火星？答案可能有点令人惊讶:火星比金星好。

太阳系有八颗行星，从内到外依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。换句话说，金星、地球和火星排名第二、第三和第四。

如果你想在八大行星上找到生命，你可以单独从这个位置来判断:水星离太阳太近，一切都被烧毁；木星及更远的地方离太阳如此之远，以至于所有的东西都冻硬了。最有可能的是，距离太阳中等距离的金星、地球和火星位于太阳系的“宜居区”。

地球位于宜居区的中部，这当然是各方面最好的。金星和火星相比如何？

看看基本指标:金星占地球质量的82%，地球体积的87%，地球引力的90%。火星与地球非常不同，它的质量是11%，体积是15%，重力是38%。

仅从这些指标来看，金星似乎更合适。因此，人类在20世纪50年代掌握了空间技术后，首次将金星作为探索目标。第一个接近其他行星的人类探测器是1962年的美国水手2号，其目标是金星。

然而，人类探索金星的热情很快就消退了。历史上总共有10个探测器降落在金星上，全部来自苏联。但是最长的工作时间只有127分钟(金星13)，最短的只有23分钟(金星7)。为什么它如此短暂？因为金星的生活条件太差了。

金星的大气密度极高，其压力高达地球的92倍，相当于一个人携带一个50吨重的坦克。更糟糕的是，大部分稠密的大气是二氧化碳，超过96%。这导致了非常强烈的温室效应。金星表面的平均温度超过460摄氏度，比最靠近太阳的水星的向阳面更热。

相比之下，火星的大气层很薄，其密度不到地球的1%。虽然这听起来很可怕，但与金星相比，我们可以理解“解脱”的含义。毕竟，气压低的时候你可以穿宇航服，但是气压太高的时候你只能被压死。火星表面的平均温度为-55摄氏度，波动范围很广，从30摄氏度到-100摄氏度以下。与金星的460摄氏度相比，它会感觉好得多。

火星最吸引人的地方是上面有水。

当人们第一次用望远镜观察火星时，他们看到了许多线条。许多人把它们理解为河流，甚至是火星人挖掘的运河。虽然到目前为止我们还没有在火星上发现任何生命。然而，在火星的历史上应该有活跃的地质运动和河流，但是由于太阳风的吹拂和小行星的撞击，它们逐渐消失了。

然而，火星上仍然有很多固体水，即冰，这是一个非常重要的发现。此外，火星上有大量固态二氧化碳，是干冰。为了区别于干冰，我们通常称之为固体水冰。

在火星的北极和南极，有一个巨大的冰盖，夹杂着水冰和干冰，水冰主要集中在底部。此外，火星地下可能存在液态盐水，即含有大量溶解盐的水，甚至是一个巨大的液态盐水湖。这大大增加了火星上生命的希望。

在地球的各种极端环境中，如火山口、深海、温泉、盐湖等。，有顽强的微生物在生存。它们的能量来源可能不是光合作用，而是根据当地条件的各种方法，如硫酸亚铁氧化还原反应释放的化学能。对这些“蟑螂”来说，火星的环境远非最差。因此，很有可能在火星上发现生命。

未来，为生命挖掘三英尺将是火星探索的一个关键目标。如果它被发现，这将是人类第一次发现外星生命，其影响将是巨大的。

7月20日，阿联酋发射了首个火星探测器。空发射搭载火星探测器“希望”号的h2a运载火箭后，阿联酋人民在迪拜的穆罕默德·本·拉希德航天中心欢呼庆祝。新华社/路透社

如何到达火星

我们怎样才能从地球到达火星？

首先，看看距离。地球和火星都围绕太阳旋转，地球以第三种方式运行，火星以第四种方式运行。两个轨道都是接近圆形的椭圆。地球的轨道非常接近圆形，半径约为1.5亿公里。火星的轨道略微平坦，近日点和远日点分别约为2.07亿公里和2.49亿公里。

可以看出，地火之间最近的距离是太阳、地球和火星排成一行的时候，这就是所谓的“火星奔向太阳”，最小距离约为6000万公里。地火最远的距离是当地球和火星在太阳的两侧排成一行时，最大距离约为4亿公里。

火星撞击太阳是一种周期性现象，每780天发生一次。为什么？这个值可以从地球和火星的公转周期计算出来。

地球上的一年大约是365天，而火星上的一年大约是687天。780天后，地球走了780/365=2.14圈，火星走了780/687=1.14圈。地球刚刚比火星多走了一圈。因此，如果地面火在出发日连成一条线，它们将在这里连成一条线。

因此，每隔780天或大约26个月，火星探索就会有一个窗口期。在2020年的窗口期，中国的火星探测项目——田文一号终于出现了。

下一个问题是:我应该如何到达那里？直接飞往火星？

在重力的作用下不可能直线行走。在太阳系中，最大的重力来源是太阳。除了在每个行星附近，太阳的引力在大多数空.都起着主导作用因此，宇宙飞船从地球到火星的旅程主要由太阳控制。如果我们不在路上开车，那么根据开普勒第一定律，宇宙飞船的轨道是一个以太阳为焦点的椭圆。

基于这些考虑，答案就出来了。我们正走在这样一条轨道上:当它离开地球时，它限定了地球围绕太阳的轨道，这就是近日点；当接近火星时，它切入火星围绕太阳的轨道，这是远地点。在中间距离，它是以太阳为焦点的椭圆的一部分。在整个旅程中，发动机只需要点燃两次，即在起点和终点。这消耗最少的燃料，是最安全和最有效的操作。

这个轨道被称为“霍尔曼转移轨道”。它是由德国物理学家沃尔特·霍曼在1925年提出的。霍尔曼转移轨道的距离约为6亿公里，这大约是地面火力最近直线距离的十倍。飞行大约需要260天，也就是大约9个月。

如果你愿意消耗更多的燃料，投入更多的成本，你当然可以走捷径。这被称为“快速转移轨道”。例如，美国在2018年发射的“洞察”号依靠强大的火箭和最佳时间窗。它仅行驶了4.8亿公里，仅用了7个月就到达了火星。

然而，化学火箭的能力正在接近上限。因此，无论你做了多少投资，从地球到火星的时间都很难少于6个月。但是新的推进技术正在发展，例如离子电力推进和核推进。如果这些技术成熟，从地球到火星的旅程预计会大大缩短。

7月23日，长征五号丁运载火箭在中国文昌航天发射场点火，完成了中国首次火星探测任务(田文一号任务)。新华社记者蔡洋照片

中国有一个高起点

此前，大多数成功的火星项目来自美国。苏联和后来的俄罗斯都尝试过很多次，但大多数都以失败告终。

2011年，中国的火星探测器“萤火虫1号”参加了俄罗斯的“福伯斯-土壤”探测计划，并乘坐俄罗斯火箭登上空.然而，由于宇宙中高能粒子的突然增加，探测器芯片出现故障，无法改变其轨道，最终在大气层中燃烧。

当时，中国没有能够向火星发射大载荷的火箭，也没有能够到达火星全天depth/きだよ 0号的通信网络。但是现在，中国有了强大的长征五号火箭。此外，还开发了一个深空通信网络，该网络在2019年嫦娥四号登月壮举中发挥了关键作用。

中国在火星探索领域是后来者，但起点相当高。“田文一号”将同时执行“盘旋和巡逻”三项任务，其载荷包括三个部分:轨道飞行器(也称轨道飞行器)，它可以绕火星飞行，并与地球进行中继通信；登陆车，用于登陆火星；漫游者，漫游者。

大多数在其他国家的首次火星任务只是被包围，或者甚至被包围，或者甚至没有被包围，只是飞走了，而且从来没有一出现就做一整套。

在“盘旋和巡逻”的三个步骤中，最困难的是“下降”。目前，只有美国成功实现了“下降”，然后“巡逻”。其他国家曾几次试图登陆火星，但都失败了。中国选择了如此激进的路线，这表明它对自己的技术有相当大的信心。此外，还有另一个原因，那就是，只有通过大踏步前进，我们才能获得更有价值的科学成就。

许多前人都做过只能通过“缠绕”和“下落”来观察的现象。因此，如果我们真的想在科学研究和探索方面取得突破，我们就需要对它们进行“循环和巡逻”。特别是，漫游者可以自由移动，探索别人从未去过的地方。

这背后需要回答的问题是:火星被探索是为了“面子”，还是真的是科学探索？

一个戏剧性的例子，来自印度。早在2013年11月，印度就发射了火星探测器Man Garian，在飞行了11个月后，它于2014年9月进入了环绕火星的轨道。

有了这一成就，印度成为第一个也是唯一一个首次成功探索火星的国家。

然而，这里的关键是“完全成功”。虽然一些国家或地区的第一次飞行任务只取得了部分成功，但他们取得的科学成就比印度多得多，例如欧洲的火星快车。因此，印度的“完全成功”是一个目标很低的成功，基本上只有刷骄傲的价值。

有了这些背景，我们可以更好地理解中国火星探测的战略选择。历史上，美国和苏联都在勘探上投入了巨大的资源。苏联起步稍早，在早期具有技术优势。然而，美国落后了，超过了苏联。一个重要的原因是，美国认识到这项事业的发展应该由科学来领导。

例如，1957年，苏联的卫星记录了地球上0/10，000公里处的辐射带，但人们认为这是一个仪器问题。几个月后，美国卫星也发现了这个辐射带。这成了一个伟大的发现，它被命名为范艾伦辐射带。范艾伦是美国物理学家和早期卫星开发者。

中国火星探测首席科学家万院士于2020年5月20日因癌症去世，享年62岁。在2019年的一篇文章中，他说:“如果第一次热潮的主题是检测比赛，这比谁跑得最快先好，那么第二次热潮的主题应该是科学比赛，这比谁看得最深先好。”人们不满足于看一看行星的表面，而是看一看时间的深处——研究行星的进化史，看一看空-studying之间的深处行星的内部结构，看一看人类的深处——研究生命的起源和寻找外星生命。”

2020年7月13日，《自然天文学报》刊登了万的讣告和他关于一号的文章:“在第一次尝试中，一号将绕轨道飞行，着陆并释放巡逻队，并与轨道飞行器协调观测。”从未有过这样的行星任务。如果成功，这将标志着一个重大的技术突破。科学地说，‘田文一号’是研究火星形态、地质、矿物学、空环境、土壤和水以及冰分布的最全面的任务。”(文薇袁玉峰边肖，中国科技大学微尺度材料科学国家研究中心副研究员)