定了，“天问一号”去火星！
总体上，中国的首次独立火星探测任务“天问一号”是一个在我国现有工程技术能力上做到极致的火星探测任务，即便放到国际上，也属于超高难度，工程技术和科学研究意义斐然，是中国航天为全人类航天梦想的一次卓越贡献。
“天问一号”涉及到的相关科学技术实在太多了，为提高效率，我将采取自问简答的方式回复，总结此前的文章和《下一站火星》中的内容。也欢迎感兴趣的朋友提问。
一、为什么叫“天问一号”
天问一词来自我国战国时期著名诗人屈原的名作《天问》，他在这篇长诗中探讨了日月星辰和天地万物的变迁，表达了追求真理不断探索的宏大精神。而对我国下一步的航天发展，尤其是深空探测方面的发展而言，作为一个新崛起的航天大国，怀揣着不仅中华民族、更是全人类的航天梦想，无论如何也需要这么一个行星探测系列任务作为未来发展方向。最终，这个庞大的计划被命名为“天问”。
（这个整体的logo也结合了火箭轨迹、太阳系八大行星等元素，符合“天问”的实际工程计划）
这次公布的火星探测任务“天问一号”，不仅是火星任务本身开始，更有意义的是宣布了中国更加长远的整个行星探测任务开启。
在可以预见的将来，“天问”系列将不仅探测火星，还会去地球最近的邻居金星，还要挑战极限，前往更大难度的太阳系内侧水星和外侧四大气态行星（木星、土星、天王星、海王星）。我国也在近期开启了行星科学一级学科的建设，一批人才培养的摇篮正在规划中。
二、为什么我们选择火星？
人类如果想要冲出地球、达到下一个行星、甚至冲出太阳系，基本只能先从火星和金星两个邻居开始。它们和地球同处太阳系内的宜居带内、同属于岩质行星、拥有孕育生命的可能性。
然而，人类经过航天探索发现，金星环境实在太过恶劣：气压是地球的92倍，空气中几乎全是二氧化碳，并且布满了稀硫酸云。地表温度常年保持在460摄氏度，人类根本无法生存。相较而言，火星的条件"优越"不少，几乎是人类航天探索下一站唯一的选择。
地球和火星尺寸对比（图源：NASA）
1.火星的潜在资源丰富。包括拥有太阳系第一大高山（奥林帕斯山）和第一大连续峡谷（水手号）；陆地面积大，火星总表面积虽然仅有地球的28%左右，但需要注意，这可是纯陆地，已经接近地球上人类生存的七大洲面积总和；火星上大气虽然稀少，但是以二氧化碳为主，可以作为开发资源。
2.多年的科研发现，火星南北极存在不亚于地球上格陵兰岛的淡水资源，土壤中广泛存在2-3%的水分。"火星快车"任务甚至发现了疑似地下水湖，火星也存在一定有机物分子。
3.火星引力较小、距离小行星带和太阳系外围空间更近，在火星上发射火箭和深空探测的总成本大大低于在地球发射，是人类未来深空探测发展中航天基地的不二之选。
如果人类航天的未来是宇宙的星辰大海，中国人没有任何理由不去探测火星！
三、火星探测该怎么去？
火星是距离地球第二近（轨道）的行星，但这个距离依然非常惊人，月球和地球的平均距离为38万千米，对于人类而言，已经是极其遥远的存在。但月球围绕地球运动且轨道偏心率很小，与地球的距离相对稳定。而火星距离地球在5000万——4亿千米左右，平均距离远远超过地月距离，并且这个范围变化区间实在太大。在地球上，仅需0.13秒就能实现任意两点的通信，地月之间则需要2.5秒，可是，当地球与火星处于最大距离时，即便是光速通信也会有44分钟的延时。
地球和火星距离变化（图自：《下一站火星》）
因而，前往火星，需要一系列基础：
1.一枚强大的火箭。这就是中国目前现役最强的长征5号火箭。中国新一代大型火箭长征5号在 2016 年发射成功，它是中国未来 20 年内大型航天任务的主力，足以满足大型轨道器、着陆器和巡视器组合的火星探测任务发射需求。它的地火轨道转移能力在5-6吨级别。
2.时间窗口。如上图所示，地火之间大约每780天才距离接近一次，叫做会合周期，这也成为了探测火星的时间窗口。在二者会合之前数月，火星探测器要从地球出发，经过6-11个月的太空旅程，最终抵达火星附近。比如，2020年这一次探测机会就在7月左右，数月后地火会合。
3.轨道设计。由于人类火箭依然只能局限于化学燃料,能力有限。探测器飞往火星之旅只能选择一个叫做"霍曼转移"的方式，一种变换太空船轨道的方法，或它的略微改进版方式——"快速合点航线"。但这个过程耗时普遍在6-11个月不等，远远长于地月之间的3天左右。同时，这些线路会受到太阳系内多个天体的扰动，还有太阳风、空间辐射等的复杂影响。此外，火星与地球并不处在同一平面内。深空探测任务往往"失之毫厘，谬以千里"，轨道设计难度可想而知。
一次标准的霍曼转移轨道（图自：《下一站火星》）
在飞行过程中，探测器总体上要经过两次加速：一次加速摆脱地球进入地火转移轨道，另一次加速赶上火星环绕太阳轨道。由于火星引力加速的影响，为切入环绕火星的轨道，探测器反而需要减速制动。
探测器达到火星附近后，需要被火星引力俘获。相比较地球而言，火星只是个小不点，质量仅有地球的10.7%，引力影响范围很小，这要求探测器必须精准切入环绕火星轨道。同时，必须拥有强大的变轨能力，能完成改变轨道、大幅增加燃料需求。
为给着陆器留足着陆窗口，探测器需要整体切入环绕火星轨道，再让着陆器择机着陆，这个入轨难度进一步提升。
4.需要复杂通讯设施。火星探测任务非常遥远，且与地球通信时间极其宝贵，这要求地球上必须有全天域覆盖的强大深空通讯网络。目前我国的深空探测天线站佳木斯站、喀什站等都在建设或升级中，海基航天测量船“远望系列”的更新，天链系列卫星的建成和海外测控站的积极建设，中国将逐渐拥有在地球和宇宙之间近乎无死角的深空通信能力。
四、探测器该怎么造？
探测器必须功能强大。一方面，探测火星的成本极高，如果只是进行简单工程验证并不值得，必须搭载各种科学仪器才能换回相应价值。另一方面，由于距离问题，探测器的深空通信、自主导航制导控制和自我故障检测修复功能等必须独立且强大，这进一步推高了成本。
中国最终选择了“绕”、“落”、“巡”的三大任务主线集为一体，这有一定必要性，也是很大的挑战。
1.至少要做到“绕”。这也是世界各国首次探测火星时必选项，即发射一颗探测器实现环绕火星运行，进行科学研究和工程验证，又可以叫做轨道器。这方面，我国不仅有此前“萤火一号”对火星探测仪器的基础，也有嫦娥系列对月球探测的基础。这个轨道器还有一个非常重要的意义：服务于位于火星表面的着陆器和火星车，因为它们基本不可能有直接和地球通讯的能力，太远了！
可以说，“绕”是火星探测的基础，如果没有轨道器飞在火星之上，是不可能进行“落”和“巡”的。
（NASA维京任务组合体，上面为轨道器，下面为着陆器。图自：NASA）
2.“落”和“巡”的必要性
一方面，“绕”的任务实在太多，已经很难出重大科研成果了。尤其是直到目前，尚有6个火星轨道器在工作，它们是美国NASA的奥德赛号、侦察轨道器、MAVEN大气专家，欧洲的火星快车、ExoMars-TGO，印度的曼加里安。因而，从科学意义上讲能抵达火星表面的着陆器和火星车更能获得有价值的研究成果。
（过去几十年内火星着陆器情况，图自：NASA，徐蒙博士译）
五、探测器怎么落？
而上述所说的，还仅仅是实现环绕火星的难点，要完成降落火星的任务，还需要克服一系列更复杂的问题。
1.火星大气。火星仅拥有极其稀薄的大气，含量甚至不足地球海平面平均密度的1%，但它却成为让科学家又爱又恨的存在。
爱在于：虽然大气稀薄，但不像月球一样近乎真空，科学家可以利用它产生的摩擦力对探测器进行减速。
恨在于：它依然可以产生非常多的热量，高达2000摄氏度。但它的密度又不足以让探测器完全减速，到最后还是需要反冲火箭发动机长期工作以实现悬停、避障、降落，也就是中国本次试验的核心技术。
中国已进行了探测器在火星低重力环境下悬停（图源：中国青年报）
因而，一个火星着陆器既需要隔热罩隔绝热量，还需要配备减速、降落伞进一步减速，同时也要反冲发动机联合工作，几乎凑齐了人类现有的降落技术，整体设计难度陡增。
2.能量来源。火星距离太阳更远，火星能接触的太阳能仅是地球的44%左右。由于长期风化，火星上沙尘非常细密，缺乏温室效应又导致火星不同区域气压差很大，进一步导致存在很强力的风，使得火星上经常出现沙尘暴，这也是导致去年"机遇号"火星车失联的直接原因。因而，火星着陆器要么选择太阳能，但要面对能量低、风险高的困难；要么选择极其昂贵的核电池，且由于火星夜晚过于寒冷，必须携带热源保温。
好奇号火星车降落火星过程自主完成了超过1000个动作（图源：NASA）
3.自主导航。标准的火星着陆过程持续时间仅7分钟左右，这甚至不足以完成一次地火通讯，这意味着全程超过1000个动作的降落过程必须依靠探测器自主完成，对软件和硬件的要求极高。
因而，降落火星的难度，远远超过"上九天揽月"。对于这次任务，我们也希望一切顺利，带着中国人“天问”的梦想抵达火星！
最后，放几张官方美图镇楼（自：中国航天局）
