2024年火星计划 2024年火星探测窗口期

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我国火星探测器“天问一号”发射,和其他国家相比,亮点在哪里?_百度...

据媒体报道，我国计划在海南文昌航天发射场，发射火星探测器天问一号，此次发射我国的野心很大，想要一次性实现火星环绕，着陆以及巡视，在国际上还没有先例。而这三个目标的难度之高，也超过了任何以往的火星探测器发射。

天问一号

此次我国的火星探测器名叫“天问一号”，来源于我国伟大诗人屈原的楚辞《天问》，寓意是探求科学真理征途漫漫，追求科技不断创新永无止境。此次的图形表示以“九天揽月”为标识。标识中太阳系8大行星依次排列。

其实，不光只有我国的火星探测器天问一号进行发射，阿联酋以及美国也在今年发射火星探测器，而且阿联酋已经发射了。

之所以今年各国扎堆探测火星，是因为今年7-8月属于发射火星探测器的窗口期。火星与地球的距离并不是一成不变的，在距离最远的时候火星与地球的距离大约是4亿多公里；而在距离较近时，只有5500万公里。今年10月火星距离地球的距离最近，尽管此时探测火星耗费的时间以及路程就较小，但人们还是选择7月发射火星探测器，因为此时发射所需要的燃料最少。如果错过了今年，需要26个月才能再次迎来火星发射的窗口期。

火星环绕

由于火星距离地球非常远，所以需要等到来年2月份天问一号才能抵达火星，然后执行第一阶段的任务：火星环绕。

火星环绕就是天问一号围绕着火星公转，就像是火星的人造卫星一样。这其实对天问一号的技术要求特别高。

我们知道，天问一号在抵达火星时，速度非常高，而想要围绕火星环绕，需要在飞到火星附近时，调整自己的速度，以便让自己被火星引力捕捉。

调整速度这件事情在我们看来不难，但实际上探测器上没有人类操作，不能根据人类对周围情况的判断而调速，只能依靠人工智能。这是因为火星距离地球非常远，而人类控制探测器主要运用的是电磁力，而电磁力传播速度是有上限的，想要从火星将信号传输到地球上，至少需要22.3分钟才能传输给地球（距离较近时），而人类发出指令传输给天问一号，又需要22.3分钟才能传输给天问一号。

由于信号的延迟，使得人类无法直接操作天问一号，只能依靠天问一号系统中的内置计算机计算，以及人类提前计算好的数据来操作，难度非常大。

火星着陆

火星着陆的过程只有7分钟，在航天史上又被称为“恐怖7分钟”，火星探测器的失败率最高的环节就是这一步了，人类历史上一共发射了40多颗探测器，但只有8颗成功登陆并工作。

火星着陆的失败率之所以这么高，是因为火星表面有大气层，但是大气层只有地球的1/10。地球的大气层较为浓密，所以当返回舱降落到地球表面时，使用隔热罩并且用降落伞就可以将返回舱安全着陆。

但是火星不同，由于火星上有大气层，所以在进入火星大气层时会产生高温，需要用隔热罩进行隔热，而隔热罩有重量，会增加探测器的下落速度。然而火星的大气密度不高，所以空气阻力也不大，仅凭降落伞无法将探测器速度降下来，需要用到其他辅助设备，而这些设备也只能依靠人工智能，因为信号的延迟使得人们根本没办法直接控制。

从这里你也看出来了，信号的延迟是阻碍人类探测火星的一大阻力，这也是为什么NASA计划在未来几年要开展载人登陆火星的原因，就是为了人类能实时操作。

火星探测

探测器在着陆时，要考虑到自己的着陆地点，这是因为探测器主要依靠太阳能产生能量，如果降落地点过于复杂，无法接收到太阳能，那么探测器将会因失去能量而罢工。除此之外，过于复杂的地形不利于探测器探测。

火星探测器抵达火星表面后，就会开始探测火星表面的信息，比如：土壤成分，大气成分，水，生物信息以及其他的信息等。此时火星探测器需要把信号传输给地球，但它们不是直接将信号传递给地球，而是在火星上方会有一个环绕器，由它来接受火星探测器的信号，并发射给地球。

总结

在火星探测领域，我国属于后来者，但这并不意味着我国在探索火星领域上的技术是落后的，反而是我国具有后发优势，在探测火星时，可以使用最新科学成果用于探测火星。

我国此次火星探测任务集：环绕、着陆、探测与一身，在人类历史上从来没有国家敢这样做过，如果我国火星探测计划能够成功，这意味着人类在探索火星上又向前走了一大步。

各国探测火星都在七八月,是巧合吗?

这是因为今年的七八月份正好属于探测火星的最好时机，位于窗口期。所以各国都纷纷在这个时期开始进行火星探测，如果错过了这次窗口期，那么下次的好时机就要等到2022年了。

而这个结论是由科学家精密计算后得出的，结合了地球以及火星的公转周期，再加上轨道设计等相关专业内容计算得出的。地球上每隔26个月就是一次探测火星的好时机，这个时机则被称为窗口期，所以今年七八月份正好位于窗口区各个国家才会基本同时探测火星。当然由于今年的疫情原因也有一些航空局选择在2022年探测。

火星距离地球最远的有大约4亿公里距离，最近也要5600万公里，如果拿我国这次探测火星所发射的火星探测器为例，那么其需要飞行大约200天才能够接触火星。而在这持续200余天的赶路期间，火星和地球并不是相对不动的，而是一直在做着相对运动，所以探测器的飞行轨道也是一门很大的学问。科学家需要对此进行推演计算，从而在恰当的时机，恰当的地点使探测器准确降落在火星上。

火星和月球一直都是人类比较关注的两个星球，一直把他们当做在地球毁灭后人类重新安置家园的地点，所以在航天业足够发达之后，人类对于火星和月球的探索就从未停止过如今两年一遇的窗口期到来，各国自然不会放弃这大好的机会。

火星为啥这么“火”|专家详解多国探测计划

作者 | 池涵

即日起，阿联酋“希望号”火星探测器、中国“天问一号”火星探测器和美国“毅力号”火星探测器将陆续奔赴火星。

多国火星探测器为什么会不约而同地选在这个时间窗口密集发射？各国的火星探测又各有什么特色？

阿拉伯世界的“希望”

火星的公转周期几乎是地球的两倍，它们之间的距离一直在变化。中国航天系统科学与工程研究院研究员陈杰告诉《中国科学报》，每隔大约780天也就是26个月，会出现地球与火星最接近的一刻。

而此前的两三个月，就是发射火星探测器的窗口期。这个时候从地球发射探测器去火星，形象地说就是‘走最近的路’去火星。

“希望号”也称为“酋长号”，是阿联酋也是阿拉伯—伊斯兰国家的第一个行星探测器，重1.5吨，携带高分辨率彩色数码相机、红外光谱仪和紫外光谱仪三台仪器。

“希望号”此行预计将花费7~9个月到达火星，届时将环绕火星飞行，开始为期2~4年的科学数据采集。

陈杰认为，“希望号”任务比较专一，瞄准火星大气研究。现有数据只能提供火星一小段时间的温度和气候信息。而如果“希望号”取得成功的话，其探测数据将会首次为科学家提供火星每年、每季、每天的全球气候变化图景。

“这将进一步加深人类对火星气象的了解，为寻找当今火星天气与远古火星大气之间的联系、研究氧和氢从火星大气中散逸出去的机制、揭示火星大气的演变、了解火星是否曾经存在生命以及生命是如何消失的等问题提供重要支撑。”陈杰说。

美国普林斯顿大学天体物理系和普林斯顿等离子体物理实验室研究员董川飞告诉《中国科学报》，“希望号”号称第一个真正意义上的火星气象卫星。

了解火星上每日天气和季节变化 (比如火星上常见的沙尘暴)对将来人类登陆乃至移居火星有重大意义。

阿联酋2014年7月宣布“希望号”研制计划，2021年7月发射，“希望号”2021年5月到达火星的时候正逢阿联酋建国50周年。阿联酋还表示将以“希望号”为起点，在2117年前在火星建立人类定居点。

一场“逐火”盛宴

“希望号”虽然承载着阿拉伯世界的雄心，但其背后还有许多其他国家科学家们的辛勤耕耘。

据董川飞介绍，阿联酋的科学与工程团队对“希望号”的研制得到了美国多所高校和研究机构的极大支持。

其中，相机与紫外光谱仪主要由美国科罗拉多大学大气与空间物理实验室负责研发制造，红外光谱仪主要由美国亚利桑那州立大学负责研发制造。整个“希望号”主要由科罗拉多大学大气与空间物理实验室负责组装制造。

陈杰介绍，为了实现火星探测和载人航天梦想，阿联酋采用商业操作、国际合作的模式，邀请了200多位美国科学家和工程师参与。俄罗斯和欧洲还帮助培训阿联酋航天员，2021年9月，阿联酋航天员曼苏里搭乘联盟飞船进入国际空间站。

此次“希望号”的发射，阿联酋还与日本合作，利用日本的H-2A火箭。

1998年，日本曾发射了一颗同样名为“希望号”的火星探测器，但由于一系列技术故障，该探测器没有进入环绕火星轨道。

“日本目前有一个金星轨道飞行器‘晓’正在研究金星大气， 所以应该已经不存在发射火星探测器的技术问题。”董川飞说，“日本目前的研究重点放在火星的两个卫星的样本返回上，这比火星的轨道飞行器难度大很多。”

另据了解，日本的“火星卫星探查计划”将于 2024 年发射, 计划从“火卫一”取样并于 2029 年返回地球。

而美国也希望借“火星2020”项目重返火星，送“毅力号”火星车登陆火星。

从美国火星探测的规划来看，“毅力号”是在前期的轨道器、着陆器和巡视器找到火星上有水的证据、探测火星内部等之后，开始 探索 火星的可移居性，寻找生命迹象。

陈杰表示，“毅力号”任务有两方面的创新：一是“站点缓存”。“毅力号”可以收集火星岩石和土壤的岩芯样品，放在火星表面的“缓存站点”。这将是首次从火星岩石和土壤中提取岩芯样品，未来航天员可能会把这些样品带回地球进行研究。二是“毅力号”携带了旋翼无人机登陆火星。

这是人类首次在另一个星球尝试旋翼飞行。“毅力号”落地后，名为“机智号”的无人机会被放置在火星表面，在接收中继指令后自主起飞，作为“侦察员”，发挥辅助作用。

对于中国而言，2011年，搭载在俄罗斯“福布斯—土壤”火星探测器内部发射升空的“萤火一号”环火探测器，是中国火星探测计划中的第一颗火星探测器。但由于“福布斯—土壤”变轨失败，“萤火一号”没有进入火星轨道。

“如果说‘萤火一号’只是一次尝试，那么‘天问一号’则是我国深空探测的跨越，是航天强国建设的重要标志。”陈杰介绍，“天问一号”将搭载我国新一代大型运载火箭长征五号发射，从研制到发射都是全自主的。

去火星探究生命的起源

火星路远行艰，究竟是什么吸引着各国的科学家，使多国耗费如此大的人力物力发射探测器？

蓝箭航天火箭研发中心总经理戴政认为，寻找火星是否存在或者曾经存在生命的证据、解答生命起源和生命是否在宇宙中的问题，具有普遍性。同时，研究火星大气和地质等科学问题，对研究天体地质和演化有很多的借鉴意义，对地球的环境变迁变化也有借鉴意义。

陈杰则认为，火星探测是航天强国的重要标志，我国首次自主的火星探测任务成功实施可进一步缩短与美国、俄罗斯等在深空探测技术方面的差距，积累更多深空探测领域的经验，推动我国在行星探测、空间科学、空间技术等方面的发展，使我国跻身全球深空探测领先者的行列。

陈杰介绍说，从探测器构成看，我国的“天问一号”火星探测器设计成环绕器和着巡组合体两部分，由于着巡组合体由着陆器和巡视器（火星车）两部分构成，实际上包括了三部分；美国火星探测器就是着陆器和巡视器两部分构成；阿联酋的“希望号”则只是环绕探测器。

从探测目标上看，我国的“天问一号”要实现“绕、落、巡”三个目标，即环绕火星探测、着陆火星并进行巡视探测；美国的探测器主要是“落、巡”两个目标；阿联酋则是“绕”一个目标，即实现火星环绕探测。

“将‘绕、落、巡’三种任务结合在一起，在世界上属于首创。工程难度确实很大，但经过艰苦努力解决了大量工程难题后，我们有信心、有把握完成这次探测任务。”陈杰说。

据了解，到下一个火星探测窗口即2022年，欧盟与俄罗斯合作的“地外火星”任务将发射，去搜寻过去或现在（可能的）火星生命的生物特征。美国会发射火星样本返回计划，日本将发射火星卫星样本返回计划。

更有意思的是，各国都已经开始长远计划并布局最终将人类送上火星的任务。美国太空 探索 技术公司（SpaceX）首席执行官马斯克表示，将从2022年开始向火星运送货物，为建立火星前哨站铺路。

“这些任务都值得期待。人类探测火星的步伐一直在持续，还将继续持续下去。”陈杰说。

《中国科学报》 （2020-07-17 第1版 要闻 原标题为《“逐火”盛宴启幕》）

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