天问一号，下一站火星(2)
▲ 好奇号火星车在火星的自拍，为视觉效果，机械臂已经抹去(图源：NASA)
2020年7、8月，人类又迎来一次火星探测机会。7月20日，阿联酋的希望号火星探测器率先出发，在日本种子岛太空中心由日本H-2A运载火箭送入太空；7月23日，中国的天问一号在海南文昌航天发射场用长征五号遥四运载火箭发射成功。7月30日，美国的毅力号火星车和机智号直升机组合体发射成功。
由于探测火星的成本极高，所以应该基于技术积累和成本投入，最大限度地收获工程和科学回报。中国已经通过嫦娥系列月球探测任务积累了深空探测器环绕、着陆和巡视的丰富经验，各项任务取得了圆满成功。在此基础上，天问一号最终选择了集“绕”“着”“巡”三大任务主线为一体，这有一定的必要性，当然也具有挑战性。
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▲ 天问一号组合体概念图(图源：中国国家航天局)
“绕”的重要性无可取代，环绕器是全面研究火星最重要的载荷平台，也是服務于着陆器和巡视器的信号中转站，它是整个任务的基础。而“着”和“巡”则是紧跟国际最高水平，是获得国际先进科研成果的基本保证。行星着陆技术也是航天大国必须掌握的核心技术。三大功能任务放在一起，体现了中国航天历来具有的高质、高效的特点。
火星探测有多难
火星探测难度很大，代表了人类航天发展现阶段最高的技术难度。天问一号面对的挑战体现在：
1.需要抓住难得的探测机会。即便是派出人类最快的探测器前往火星，也需要老老实实等待每隔780天才出现一次的机会，一旦错过就需要再等待26个月，因此必须保证任务按时发射。如果延期，除时间成本之外，还有巨额的探测器保管和维护成本。
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2.需要强力火箭。探测器要实现环绕地球运动，需要摆脱空气和一部分地球引力的影响；如果想要前往更高轨道甚至前往月球，需要摆脱更多的地球引力的影响；如果前往火星，不仅需要完全摆脱地球引力的影响，还需要摆脱强大的太阳引力的影响。这意味着更强大的火箭是探测火星的先决条件。
▲ 2000—2022年地球和火星距离的变化，各探测任务在太空中飞行的时间区间(作者供图)
▲ 一次标准的“霍曼转移”轨道(作者供图)
3.轨道设计复杂。由于火箭依然局限于化学推进剂，能力有限，所以探测器飞往火星之旅只能选择“霍曼转移”—一种变换探测器轨道的方式，或其略微改进版—“快速合点航线”。但这个过程耗时普遍在6～11个月，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。
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4.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等功能必须独立且强大，这进一步推高了成本。
5.抵达火星很难。探测器到达火星附近后，需要被火星引力俘获。相比于地球，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，这又大幅增加了燃料需求。
▲ 好奇号火星车在降落火星的过程中自主完成了超过1000个动作(图源：NASA)
6.需要复杂的地面设施。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信网络。
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由此可见，火星探测的难度极大。几十年统计下来，火星探测成功率还不足一半。早期的成功率更是惨不忍睹，苏联/俄罗斯进行了近20次火星探测任务，但没有一次取得完全成功。即便是后来占据领先地位的美国，也是在进入21世纪前后，才获得比较高的成功率。
上述所说的，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。最大的挑战在于火星大气。火星仅拥有极其稀薄的大气，大气密度甚至不足地球海平面大气平均密度的1%，这真让科学家又爱又恨。爱在于：火星虽然大气稀薄，但又不像月球一样近乎真空，科学家可以利用大气摩擦力对探测器进行减速。恨在于：大气摩擦会产生高达2000℃的高温；但大气的密度又不足以让着陆器完全减速，到最后还是需要反冲火箭发动机配合以实现悬停、避障、降落。因而，一个火星着陆器既需要隔热罩隔绝热量，也需要配备减速器、降落伞进一步减速，同时还要反冲发动机联合工作，几乎集齐了人类现有的各种降落技术，整体设计难度陡增。
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