火星和地球之间的距离，最近的时候，也是地月距离的145倍，达到5500万千米。在最远的时候，地球和火星隔着太阳遥遥相对，距离甚至达到4亿千米。距离的差异就引申出了时间窗口的问题，只有利用好这个几年才出现一次的窗口，才能用最短的时间抵达火星。

 

 

7月23日，中国首个火星探测项目“天问一号”将正式发射，7个月之后将进入火星轨道，正式开启探测任务。

 

公开资料显示，“天问一号”的探测器由着陆器与环绕器组成，将一次实现“绕、着、巡”三个步骤，对火星的环绕飞行观测、 火星着陆以及火星巡视勘测。与以往的航天活动相比，“天问一号”将成为我国深空探测最远一步。

 

另据了解，此次任务的科学目标是实现对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等进行科学探测，进而有利于建立起对火星全面而基础的认识。

 

除了科学目标，“天问一号”都还有哪些看点，对人类又将做出什么贡献？

 

火箭垂直转运很“奢侈”

 

长征五号运载火箭从总装厂房，向发射工位的垂直转运过程需要两个小时，巨大的火箭树立在巨大的轨道车上缓缓行进的场面，成为文昌航天城的一道风景线。

 

垂直转运对重大火箭发射项目尤为重要，这是因为火箭在飞行时为了确认姿态，需要配备大量的陀螺仪、加速度计等惯性测量设备，这些设备在发射前必须调试到某个初始状态，然后保持不变，直到发射。

 

如果采用水平转运，到发射工位上再将火箭竖立起来， 往往还需要重新调试，而发射工位上没有完善的调试条件，就会给飞行带来隐患。

 

所以，对于那些非常精密复杂的重型发射载具，就要采取垂直转运的方式。

 

垂直转运需要投入巨资建设高大的总装产房、重载轨道和定制轨道车，是一种比较奢侈的做法。

 

在长征五号之外，发射载人飞船的长征-2F在酒泉发射中心也是采用垂直转运的。

 

国外最著名的垂直转运发射平台，就是曾经用于转运土星5、航天飞机的移动发射平台，不过它采用的是一种装有4副履带的行走平台，没有轨道。2019年6月，NASA向白科特尔国际公司订购了一台全新的移动发射平台，准备用来发射SLS超重型火箭，合同金额高达3.83亿美元，接近猎鹰九号单次发射服务费的6倍。

 

对于垂直转运，业界也有不同的声音。比如俄罗斯的联盟、质子等火箭都采用水平调试、水平转运的方式，宁可起竖之后冒一定风险，也不花钱搞垂直转运，但也正因为这个问题，在研发早期经历了很多次失败。

 

作为民营航天当红“炸子鸡”，马斯克主打低成本的猎鹰9号和重型猎鹰火箭，也因为成本控制而采用水平转运，不过由于马斯克采用了一些成熟技术与创新手段相结合的方案，保证了不错的发射成功率，也不失为一种有价值的尝试。

 

 

长征五号运载能力再创纪录

 

长征五号在2019年底恢复正常发射，而复飞的第一颗卫星，是采用东方红五号平台的重型通信卫星，编号为实践20。

 

 

据介绍，东方红五号最大起飞重量10吨，老一代的长征三号家族中运载能力最强的长征三号乙，地球同步转移轨道（GTO）的运载能力也只有5.5吨，根本“背”不动东方红五号这个大块头。

 

而长征五号的GTO运载能力高达14吨，是唯一国内可以运送东方红五号进入GTO的火箭。

 

大块头对应的是大容量，东方红五号可以携带大量通信设备，提供高达1Tbps的超高容量的通信卫星，这是个什么概念呢？

 

2017年发射的中星16号是中国第一颗所谓的高通量卫星，通信容量20Gbps，超过此前中国所有通信卫星容量的总和。如果研发出1Tbps的卫星，就是中星16号的50倍以上。

 

当然，长征五号这种超大火箭也可以用来发射大量小卫星，就像马斯克的“星链”，目前中国也在筹建自己的宽带互联网星座。

 

例如“鸿雁”星座只需要发射300颗卫星，用长征五号只要发射几次，就可以在2022年完成星座建设，为全世界的人们提供上网服务。

 

中国深空探测最远一步

 

中国航天今年实施了大量重要的科学性飞行任务，包括已经成功的新一代载人飞船任务和正在途中的天问一号，也包括即将实施的嫦娥五号月球采样返回任务和第一批中国自主空间站舱段。

 

无论是实验性的天宫一号、天宫二号，还是即将部署的天和空间站，都位于距离地球表面300多千米的近地轨道。

 

 

嫦娥三号和嫦娥五号最远抵达了距离地球38万千米的月球正面，嫦娥四号部署在月球背面，比嫦娥三号、五号远了一个月球直径。

 

与上述几个任务相比，天问一号跑得最远。

 

这是因为，火星和地球之间的距离，最近的时候，也是地月距离的145倍，达到5500万千米。在最远的时候，地球和火星隔着太阳遥遥相对，距离甚至达到4亿千米。

 

距离的差异就引申出了时间窗口的问题，只有利用好这个几年才出现一次的窗口，才能用最短的时间抵达火星。

 

变轨和“刹车”能力缺一不可

 

从某种意义上说，奔向火星和链球运动差不多。

 

火星探测器进入绕地球飞行的轨道之后，要一边绕飞一边加速，当飞行速度达到了第二宇宙速度，也就是每秒11.2千米，就可以强迫地球引力场“撒手”，奔向火星。

 

和链球运动不同，火星在自己的公转轨道上不停运动，如何把这颗价值连城的火星探测器在正确的时候，“扔”向正确的方向，然后在接近目标的时候，还要及时刹车，进入环绕火星飞行轨道，就要靠精确的计算和控制。

 

首先是“甩”，从地球到火星的发射窗口出现时，在环绕太阳的轨道上，地球在第三圈跑道上略微靠前，火星在第四圈跑道上略微靠后。

 

 

美国“火星勘测轨道器”利用发射窗口的示意图，蓝色为地球轨道，绿色为火星轨道，紫色是探测器奔向火星的轨道，其他火星探测器的轨道方案基本相同。

 

天问一号要从地球引力场甩出去，飞行7个月，最终到达火星目标位置，在这7个月里，地球和火星的距离虽然最近，也要达到5600万千米左右，“甩”的方向要极为精确，需要让它对准火星冲过去。

 

变轨取得成功之后，天问一号要持续飞行7个月。天问一号到达火星附近，开始实现火星捕获，也就是“刹车”进入环绕火星飞行的轨道。

 

为了做到这一点，要把速度降低到从第二宇宙速度降低到每秒2100米，方向要正好与火星外圆相切。如果刹车太狠，就会一头扎向火星大气，来不及“绕”就坠落下去，任务失败。如果刹车太温柔，就回错过火星，去宇宙里流浪了。

 

人类火星探测史上还没有发生过确证为火星捕获失败的案例，但在月球探测史上，苏联就发生了好几次捕获失败，有的坠毁，残骸有待后人前去凭吊；有的错过，就此消失杳无音讯。

 

看穿4亿千米的深空测控网

 

测控网，顾名思义，就是能够测量空间飞行器的位置、速度和方向，监控其上电子、光学、温度、机械、压力等主要参数，并且发送无线电指令加以控制。

航天器飞得越远，测控的信号就越微弱，测控难度也就越大。因此，深空测控网必须采用口径巨大的抛物面天线。

 

为了保证测量精度、保证在地球自转和航天器飞行过程中能够持续测控，还要跨越比较大的经度范围设置多个测控站，因此都配上大口径天线。

 

世界上只有四套深空测控网，分别属于美国、欧洲、俄罗斯和中国。

 

目前，水平最高的当然是美国NASA的深空网。它在全球部署了3个测控站，每个站有4副大型抛物面天线，其中1副口径70米，2副口径34米，还有1副口径是26米。

 

70米，这就是全球深空测控天线的最高水平。

 

中国的深空测控站以西安卫星测控中心为核心，由9个不同规模的测控站组成，其中负责火星发射任务的是佳木斯站和喀什站。

 

佳木斯站拥有66米大口径天线，喀什站此前拥有一副35米直径天线。在整个飞行途中，这些天线就要负责保持天问一号和地球之间的联系。

 

抵达火星表面开始科考之后，由于火星车上的信号发射功率本身就比较小，还要穿透火星大气才能进入宇宙空间，再经过数千万千米甚至数亿千米的旅程达到地球，信号会变得非常微弱。

 

为了借助微弱的信号传输能力来接收火星车拍摄的高清照片，就需要极为强大的接收天线。为此，中国在天津武清新建了一副70米口径的超大数据接收天线，是世界第二大、亚洲最大全可动单体天线。

 

 

2015年，美国新视野号探测器飞过冥王星，向地球发回了这颗神秘矮行星的一大批高清照片，这是人类第一次看清距离大约50亿千米外的另一颗行星，甚至看清了上面由甲烷冷冻而成的冰川和雪山，用来下载图像的，正是NASA深空网的70米天线。

 

 

通过人工智能图像识别精准辅助降落

 

天问一号用的所有技术当中，自动导航和着陆或许是用处最大、意义更直接的一个。

 

这里主要针对的是着陆器从火星轨道下降，穿过火星大气层，然后抵达火星地表的过程。

 

火星大气稀薄，减速效果有限，火星着陆器在进入大气层后，都要先靠气动外形产生阻力，到达一定高度、减到一定速度后，采取不同的最后着陆方案。

 

美国的前两个火星车“勇气”、“机遇”都是用气囊包裹着着陆的，这种方式容易实现，却无法承载重量比较大的火星车；“好奇”采用了火箭反推天车，天车装配一组火箭发动机向下喷射逐步降低速度，然后选择平坦着陆位置。

 

火星车用绳索吊在天车下面，当车轮触到火星表面，就切断绳索，天车加速飞走，即将发射的“毅力”号也采用这套方案。

 

 

那么，天问一号的火星车是如何降落的呢？

 

按照中国科学院张伟研究员的解释，天问一号着陆器接触到火星大气层后，首先靠钝头外形做气动减速，到一定高度、速度后拉出降落伞，降落伞完成使命之后，就抛掉防热大底，开始最后的着陆过程。

 

着陆过程中火星车被配备反推火箭的着陆器托举，当反推火箭开始喷射的时候，着陆器的速度控制在百米每秒，着陆器的相机开始拍摄画面，人工智能算法会从图像中找到开阔平坦的地方，引导着陆器飞行至对应位置继续降落，到了距离地面大约10米的地方，着陆器的速度就可以减少到0，完全悬浮在空中。

 

随后，计算机对图像进行识别确认降落位置，然后收油门降落！

 

成功落到地面之后，着陆器上会伸出一对铁轨似的坡道，借助轨道将火星车平缓防止到火星表面，这实际上沿用了玉兔号和玉兔二号的成熟方案，可以认为形成了中国流派。

 

 

人工智能图像识别技术对火星探索效率的提升大有裨益。

 

主要是火星车行驶速度非常缓慢，有时候一天只能移动几米，如果人们要定点考察某些区域——比如可能有水资源的岩石，就要把火星车降落在尽量接近岩石的位置，减少火星车跋涉前往所需要的时间。

 

 

NASA这次发射的“毅力”号火星车，同样打算采用人工智能精确选择着陆场的办法，精确降落到预定目标位置，如果按照老办法降落到开阔平原，再开车过去，可能要花费一年的时间在路上。

 

移民火星有多远？

 

上面所说的一切，或许都没有一位中国宇航员登上火星来得让人激动。不过这件事肯定要排在载人登月的后面。需要知道，人的肉身是宇宙飞行当中最麻烦的因素。

 

在地球上，正常人类一年承受的辐射剂量大约是1毫西弗，但是到了地球轨道上，人类待一年遭受的辐射剂量就超过了200毫西弗。走向火星，完全脱离了地球大气层的保护，强大的宇宙辐射就会让这个数字急剧攀升。

 

为了保护宇航员，必须研制具有厚重保护层的飞船，它还要飞得够快，让宇航员尽快抵达火星地表，进入火星大气层的保护之中。

 

 

这就意味着我们需要一艘外壳极厚、动力极强的飞船，它的起飞重量也远远超

过了天问一号这种无人探测器，也超过了长征五号的运载能力，只能用长征九号这种超重型火箭一节一节地送上天去组装起来，而长征九号的首要任务是载人登陆月球。

 

合理推测，中国的载人月球飞行可能在2030年前后的某个时刻实现，那么载人登陆火星恐怕要排到2040年以后了。

 

眼下的美国，其实也没有真正进入实施的载人火星探索计划。

 

早在小布什政府期间，NASA曾经提出一个宏大设想，先用超重型货运火箭两次发射，把足够考察组用两年的物资和设备送到火星上。然后再发射一枚重型载人火箭，把宇航员送上火星，在那里实施为期500天的考察，然后返回地球。

 

但这个计划被奥巴马政府彻底否定了，国际宇航界有一批人对此甚为不满，所以才提出了“单程去火星”计划，如今这个计划也烟消云散，只剩下马斯克在不断讨论登陆火星和“多星球种族”的理想，NASA实际上也没完全放弃。

 

移民外显无非是要解决人类的衣食住行问题，加上呼吸。衣食问题相对容易解决，只要带够给养就可以。“行”的方面，美国几十年来已经积累了为数不少的火星车方案，住和呼吸的问题反而不够成熟。

 

因此，即将发射的“毅力”号火星车上，就携带了一套设备，研究是否能用火星大气来制造供人类呼吸的氧气。NASA还在2019年组织了火星建筑大赛，征集火星考察站建设方案，参赛企业还用3D打印技术制造了一些火星土坯房的模型，用推土机冲撞，来考察它们的坚固性。

 

 

中国人在火星移民上是不是也能有所作为？这需要大量无人的火星探测器先行探索，所以，天问一号在火星上碾出的车辙，就是我们中国人登上火星的万里长征第一步。

 

（来源：环球时报新媒体；图片来自网络，侵删） 

 

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