本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：张二七、杨心舟，头图来自：CGTN
2020年是两年一次的火星年，而7月中旬~8月中旬则是今年的火星季，这数周的时间是绝佳的“火星探测器窗口”。在今年10月14日，将迎来“火星冲日”的天文学现象，到时，火星、地球和太阳所处的轨道位置将能形成一条直线，火星和地球的距离也将最近，因此适合高效完成火星探测任务。
之所以说火星年两年一遇，是因为地球的公转周期是365天，火星的公转周期是687天，二者会合周期是779.9天。由于行星公转的非均匀性，可以说地球和火星处于在最近点的时间间隔为780天，就是约26个月，而一旦错过发射窗口就需要再等两年。
当然，如果等到“火星冲日”之时发射探测器就为时已晚，考虑到我们与火星的距离以及地球和火星的公转速度，最佳的发射时间是“火星冲日”之前两个月左右。现在，阿联酋“希望号”火星探测器已经升空，而在未来数周内中国的“火星1号”和NASA的毅力号也将紧随其后。
为了更高效且节省燃料，探测器升空后将会进入霍曼转移轨道，这种最简单的变轨方式适用于中心天体相同的两个圆轨道之间的轨道转移。火星探测器在途中只需要两次引擎推进就可以从地球轨道进入火星轨道，缩减燃料携带量。
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阿联酋“希望号”
北京时间7月20日凌晨5点58分，阿联酋首个火星探测器“希望”号搭乘日本的H-IIA运载火箭，从日本种子岛航天中心发射升空。“希望号”将经过约200天的飞行，于2021年2月抵达火星轨道，并通过探索成像仪、红外光谱仪以及紫外光谱仪对火星气候及天气进行探测研究。这是阿联酋的首次火星探测任务，也标志着新一轮火星探测周期的开启。
中国“天问1号”
7月17日上午，长征五号遥四运载火箭在中国海南文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后，垂直转运至发射区，计划于7月下旬到8月上旬择机实施中国首次火星探测任务（行星探测工程“天问一号”任务）。
这也是我国首次执行火星探测任务，该任务于2016年1月批准立项，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，将迈出我国行星探测的第一步。根据计划，探测器将于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天的探索工作。
NASA“毅力号”
目前，NASA预计将要在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射“毅力号”，其将于2021年2月18日（美东时间，ET）落在火星耶泽洛陨石坑（Jezero crater）。目前，NASA还没有给出具体发射时间，根据发射时间表，“毅力号”不会早于7月30日（ET）升空，发射窗口期从美东时间7月30日至8月15日（ET）。
欧空局“ExoMars”计划（已推迟至2022年）
该计划包含两个部分，一是2016年已经发射的痕量气体轨道器（Trace Gas Orbiter），二是原本预计在2020年升空的火星车和火星表面平台。但由于各方因素，欧空局宣布火星探测任务延期。新的预计发射时间为2022年9月。
艰难的任务
就在今年的“火星探测器窗口期”，中国计划进行首次火星探测任务“天问一号”。
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）。
“天问一号”着陆器及巡视器（图片来源：CNSA）
在“天问一号”中，我国计划在首次发射中一次性实现“绕”、“落”、“巡”三大任务，这在世界航天史上还没有过先例。即使我们有了一定的探月经验作为基础，但也面临着很大的挑战。
难度主要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。
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。
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。
7月17日，长征五号遥四运载火箭完成垂直转运至发射区，计划于7月下旬到8月上旬择机实施发射任务。（图片来源：国家航天局新闻宣传中心）
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。
全新的发现
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。
本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：张二七、杨心舟