2020年7月我国将发射首颗火星探测器，这次火星探测将实现软着陆，在火星表面释放火星车，开展巡视探测。和嫦娥探月工程相比，我国火星探测将一次性走完探月的“三步”。着陆难度相当于从巴黎击出一只高尔夫球，落在东京的一个洞里。
“中国将于2020年探测火星。”7月8日，在2019软件定义卫星高峰论坛上，中国科学院院士、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远在报告中透露了这一信息。在亿万人的期盼中，中国首次探测火星的行动越来越近了。
▲火星表面因富含赤铁矿而呈现红色，图源：网络
火星虽然是我们的近邻，与地球的距离变化较大。最近的时候距离地球5500万千米左右，最远可达约4亿千米，这就导致从地球上看火星明暗变化比较大。也因为如此，人类探测器探索火星时，时机选择非常重要。
看点一
选择2020年7月发射火星探测器
火星绕太阳公转周期是地球的约1.9倍（687个地球日），火星和地球每隔大约26个月就会来一次亲密接触，这个在天文上叫做“火星冲日”。此时太阳、地球、火星在一条直线上，这时地球和火星的距离差不多达到一个极小值。
▲火星冲日示意图，图源：网络很显然，如果选择火星冲日这个时间段发射火星探测器，就会少走很多弯路，节省大量的金钱和时间到达火星。由于火星探测器本身有特定的飞行轨道，这个地火转移轨道是一个椭圆的一半，叫做“霍曼转移轨道”。探测器发射升空后，先在地球附近加速，进入霍曼转移轨道，在火星附近减速，被火星引力捕获。探测器通过霍曼转移轨道从地球到火星轨道的飞行时间是固定不变的，因此探测器发射时，火星和地球的相对位置必须要使航天器到达转移轨道的远日点时，刚好在那里与火星“相遇”。这样的发射时机，大约每26个月才会出现一次。错过之后，就必须等待下一次发射窗口。
▲霍曼转移轨道刚好与火星轨道相切，图源：网络所以发射火星探测器的最好发射时间，并不是正好发生火星冲日的时候，而是需要打一个时间差（大概提前3个月）。下一次火星冲日将发生在2020年10月13日，此时火星距离地球大约6300万千米，那么发射火星探测器的时间预计在2020年的7月份。为了抓住这一机会，我国刚刚公布了火星探测计划，计划在2020年7月份发射火星探测器，预计经过10个月的太空飞行，于2021年到达火星，着陆火星表面并进行巡视探测。我国首次火星探测是一步到位，一次火星任务中完成“绕”“落”“巡”三大任务，这在航天史上史无前例！
▲我国火星2020探测组合体概念图（图源：国家航天局）由于从地球飞向火星是一个上亿千米的漫长旅途，途中稍有不慎探测器就会“死在半路上”。至今为止，人类总共发射了40余颗火星探测器，耗资巨大，但成功率只有一半，因此火星又称之为“航天器坟场”。
看点二
着陆火星得经历恐怖的“黑色7分钟”
一般而言，着陆探测器需要如下几步才能最终抵达火星表面：
第一步，从地球发射并进入环绕地球轨道；
第二步，进行轨道机动，从绕地球轨道脱离，进入双曲线转移的日心轨道，飞向火星。轨道计算要非常精确，确保探测器的轨道和火星在前方相遇；
第三步，飞船被火星引力场捕获，在指定高度进行轨道机动后成为火星绕飞轨道上的一颗卫星；
最后一步，也是最危险的一步——着陆。探测器释放着陆器，需要穿过火星大气层才能着陆在火星表面。
▲模拟探测器火星着陆着陆器从130多公里的高空进入火星大气，速度达每秒5.9千米，要在短短七分钟的时间内，让着陆器的速度降至零，实现安全着陆。由于“地火”距离非常遥远，单向通信延迟最高可达约20分钟。也就是说，在地面上根本无法实时调控着陆器着陆过程，必须完全靠事先输入的参数自主完成着陆，着陆全程大约7分钟（200多秒），200多秒内，探测器要完成超过1000个不同动作和指令，整个过程就这么困难，目前这个技术被美国NASA垄断。
▲“好奇号”着陆的过程缩略版（图源：NASA）有人比喻，这难度相当于要求一个高尔夫球手从巴黎击球，落在东京的一个球洞内。选择着陆点，以什么角度进入大气层，什么时候进行制动等等都非常关键不能出丝毫差错，是火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻，被称为“黑色七分钟”。
▲中国火星探测器的着陆器及火星车概念图，图源：国家航天局
看点三
中国火星着陆器在哪着陆，以何种方式降落？
为了让承载贵重精致科学仪器的火星车安全着陆火星表面，目前主要有三种方式：
第一种是气囊缓冲。1996年12月4日发射的“火星探路者”， 2003年6月和7月分别发射的“勇气号”与“机遇号”火星车，就是使用这一方式。
第二种方式是着陆支架缓冲。2007年8月4日发射的“凤凰号”着陆器比“机遇号”和“勇气号”更重，因此采用了着陆支架缓冲的方式，实现了安全着陆。
第三种方式是空中吊车着陆。2011年11月26日发射的“好奇号”火星车的重量很大，将近1吨，为了安全着陆，使用 “空中吊车”开启8台反推发动机，从而实现安全着陆。
▲空中吊车着陆示意图，图源：网络据中国火星探测任务相关人员介绍，中国首次火星探测着陆器将选择在火星北半球纬度20～30度的范围着陆，探测火星的形貌、土壤、环境、大气，研究火星上的水冰分布、物理场和内部结构。我国的火星车最终选择何种方式着陆，将取决于着陆器的重量、工作方式等等。让我们拭目以待！
看点四
火星上究竟有什么？
对科学家而言，火星残余磁场、电离层与大气层的探测与环境科学，火星地形地貌特征与分区，火星表面物质组成与分布，地质特征与构造区划，火星内部结构、成分等都是非常有意义的科研对象。其中，无论是科学家还是普通大众最感兴趣的科学研究：火星上的生命活动信息以及火星适合人类移民的潜在资源。所以，每一次人类的火星探测计划都会受到世界高度的关注。未来，火星是否能成为人类的第二个“地球”，取决于人类的每一次火星探测数据分析和科研结果。
▲“火星快车”2018年的观测发现，火星南极冰盖下方可能存在一个液态水湖，图源：ESA火星这颗红色的行星一直是人类关注的神秘星球，长久以来人们对它保持着浓厚兴趣。早期科学家用光学望远镜观察到了火星表面存在暗区（即亮度相对比较低的区域）。人们猜想这些暗区可能是海洋、湖泊等。后来又发现似乎有一些从暗区延伸出的细线，这些细线被想象力丰富的天文学家脑补为“水道”。暗区会在冬季时缩小、夏季时扩张，很像森林冬天落叶，区域减少，夏天植被覆盖，区域扩大。这些神秘现象，激发了当时人类认为火星可能存在大量液态水甚至植物的推测。当时，美国天文学家帕西瓦尔·罗威尔观察到“水道”现象并对外宣称，“那些‘水道’其实是人工挖掘的‘运河’，用来灌溉植物，因为水道太细不可见，而看到的细线应是灌溉出的大片植物”。类似的爆炸性新闻如雨后春笋般迅速传遍全球，人们开始畅想火星人的科幻故事。或许从这时起，火星就深深地刻入人们的基因里，让人类梦想有朝一日登陆火星，造访我们的想象中的近邻生命。遗憾的是，这些“水道”当然是不存在的，部分是峡谷或陨石坑后延伸出的深色沙子造成的错觉。而火星表面颜色的改变则是因为沙被风吹移造成的。但火星表面确实存在水冲刷形成的遗迹。
▲“好奇”号曾在火星盖尔陨坑，勘测到火星过去存在水流痕迹，图源：NASA但这没有浇灭人们探测火星的热情。火星和金星距离地球最近，人类对二者发射的探测器数量也不相伯仲。但火星是目前唯一一颗有人造车辆漫游的大行星。火星也是与地球形貌最接近的大行星，且含有水和甲烷，经过改造后是非常有可能成为人类地外移民的首颗行星。
看点五
“火星移民”只是梦想吗？
火星，平均温度零下63度，最高温度35度，大气压只有地球的0.6%，大气主要成分是二氧化碳。最关键的是，火星上发现了大量水存在的证据。通过科学数据分析，火星土壤里含有1.5%到3%的水，《科学》2018年7月还报道“火星存在地下湖泊”的消息，这些水可以满足未来人类移居火星的时候使用。
▲人类漫步火星幻想图，图源：网络火星自转周期和地球非常接近，24小时多一点，公转周期是地球1.88倍。火星表面气压低，大气成分无法供人呼吸，因此人们必须穿戴防护设备才能外出。不过，科技狂人马斯克就大胆设想用核爆技术进行火星大气改造，创造出利于人类生存的条件……如果有一天人类真的实现了火星移民，长期居住火星就会和地球上的人差别越来越大。火星重力是无法改造的，它只有地球重力的1/3多一点。因为较轻的重力使得人可以长得更高更大，肌肉密度和骨骼密度也会和地球不同。或许几代火星移民后，一种新的智慧生命“火星人”就形成了，虽然他们的老祖宗是地球人。
撰文：韩文标 中国科学院上海天文台研究员
审稿：丁溯泉 曾任北京跟踪与通信技术研究所工程师、中国载人航天工程办公室高级工程师，现任北京天问空间科技有限公司总经理
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