1 為什么是火星？
1. 距離地球近，易探測(cè)
地球是太陽(yáng)系八大行星之一，按離太陽(yáng)由近及遠(yuǎn)的次序排為第三顆，金星、火星是地球的鄰居。
△八大行星示意圖
火星到地球近距離約為5500萬(wàn)公里，最遠(yuǎn)距離則超過4億公里，兩者之間的近距離接觸大約每15年出現(xiàn)一次。一般來說，火星和地球距離近的年份是最適合登陸火星和在地面對(duì)火星觀測(cè)的時(shí)機(jī)。從地球到火星，飛行時(shí)間大約需要6—10個(gè)月，而木星則需要飛行7年，水星也需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間。
2. 有研究意義，要探測(cè)
太陽(yáng)系共有八大行星，火星的自然條件與地球最為類似：直徑約為地球的53%，質(zhì)量為地球的11%，表面重力約為地球的2/5。自轉(zhuǎn)軸傾角、自轉(zhuǎn)周期均與地球相近，平均火星日為24小時(shí)39分35.244秒，公轉(zhuǎn)一周約為地球公轉(zhuǎn)時(shí)間的兩倍。
△八大行星比較
以往的探測(cè)發(fā)現(xiàn)了火星存在水的證據(jù)，火星上是否存在孕育生命條件以及火星是地球的過去還是地球的未來，成為火星研究重大科學(xué)問題。研究火星對(duì)認(rèn)識(shí)地球演變具有非常重要的比較意義。
為什么不是探測(cè)金星？
如果要在八大行星尋找生命，金星、地球、火星這三個(gè)處于太陽(yáng)系的“宜居帶”上。
金星的質(zhì)量是地球的82%，體積是地球的87%，重力是地球的90%，各方面跟地球十分接近。而火星跟地球的差別要大，其質(zhì)量是地球的11%，體積是地球的15%，重力是地球的38%。僅從這些指標(biāo)看，金星似乎更加適合。
但金星有一個(gè)極其濃密的大氣，它的壓強(qiáng)高達(dá)地球的92倍，相當(dāng)于一個(gè)人背著一輛50噸重的坦克。更糟糕的是，這么濃密的大氣中絕大部分是二氧化碳，超過96%。這導(dǎo)致了非常強(qiáng)的溫室效應(yīng)，金星表面的平均溫度超過460攝氏度，比離太陽(yáng)最近的水星的向陽(yáng)面還熱。而火星氣壓、溫度適宜，且有水存在的證據(jù)，更適宜對(duì)生命的探測(cè)研究。
2 為什么這個(gè)時(shí)間發(fā)射？
要找出火星發(fā)射窗口，第一考慮是火星和地球之間距離最近的時(shí)刻，即“地火最近”，這樣可以花費(fèi)較少的時(shí)間、使用較少的能源將探測(cè)器送往火星。怎樣才能近呢？
每隔大約26個(gè)月，地球會(huì)行進(jìn)到太陽(yáng)和火星之間，連成一條直線，稱作“火星沖日”。一般來說，火星沖日時(shí)地火距離近。（需要注意，如果行星軌道是個(gè)正圓，那日地火三點(diǎn)一線時(shí)，顯然也正好是地火最近。但在現(xiàn)實(shí)中，地球和火星的軌道都是橢圓形，且火星的軌道比地球還要略扁平一些。因此，“火星沖日”和地火最近并不一定重疊。）
大約每隔26個(gè)月就會(huì)發(fā)生一次火星沖日。自2013年的火星沖日之后，到目前為止先后經(jīng)歷了兩個(gè)火星沖日，而最近的一個(gè)火星沖日是在2018年是，在這一年，美國(guó)發(fā)射了洞察號(hào)火星探測(cè)器，并在火星成功著陸，同時(shí)還是世界首個(gè)深入火星內(nèi)部的探測(cè)器。而2018年之后，下一個(gè)火星沖日，也就是火星探測(cè)的最佳發(fā)射窗口預(yù)計(jì)在2020年的下半年。
沖日、合日、凌日
行星沖日，是指地外行星運(yùn)行到與太陽(yáng)、地球形成一條直線的狀態(tài)。相對(duì)于沖日，地內(nèi)行星與太陽(yáng)、地球形成一條直線的的現(xiàn)象為合日。地內(nèi)行星經(jīng)過日面的現(xiàn)象稱為凌日，凌日只發(fā)生在下合時(shí)。
但是火星沖日并不是人們發(fā)射火星的最佳時(shí)期，這是因?yàn)殡m然此時(shí)的距離最近，但是此時(shí)火星探測(cè)器無(wú)法借力，所耗費(fèi)的燃料較多。所以一般人們會(huì)選擇火星沖日前的兩三個(gè)月左右發(fā)射探測(cè)器，此時(shí)火星探測(cè)器可以沿著霍曼轉(zhuǎn)移軌道飛行到火星，雖然沿著這條軌道需要的時(shí)間更多，距離更遠(yuǎn)，但是所耗費(fèi)的燃料更少。
霍曼轉(zhuǎn)移軌道
“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”是由德國(guó)太空工程師，“瓦爾特·霍曼”于1925年提出的，就可以使探測(cè)器在從一個(gè)天體的公轉(zhuǎn)軌道轉(zhuǎn)移到另一個(gè)天體的公轉(zhuǎn)軌道時(shí)，消耗最少的能量。
3 為什么在這里發(fā)射？
文昌發(fā)射場(chǎng)主要有“緯度”“安全”“運(yùn)輸”三大優(yōu)勢(shì)。
1.緯度
航天發(fā)射與發(fā)射場(chǎng)的緯度高低密切相關(guān)，距離赤道越近、緯度越低，發(fā)射衛(wèi)星時(shí)就越能借助接近赤道的較大線速度以及慣性產(chǎn)生的離心現(xiàn)象，因此所需要的能耗就越低，使用同樣燃料可以達(dá)到的速度也越快。
△中國(guó)航天發(fā)射場(chǎng)布局圖
文昌的地理緯度為19°，比甘肅酒泉、山西太原、四川西昌三個(gè)發(fā)射場(chǎng)的地理緯度都低得多，距離赤道最近，因此也成為建設(shè)航天發(fā)射場(chǎng)的最佳位置。同種型號(hào)的火箭在文昌發(fā)射可以將運(yùn)載火箭有效載荷提高300多千克，節(jié)約的星用燃料也能夠提高航天器入軌精度，延長(zhǎng)航天器使用壽命1～2年。
2.安全
從海南文昌發(fā)射的火箭，射向范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好，在射向1000km范圍內(nèi)均為海域，火箭航區(qū)和殘骸落區(qū)均在海上，而內(nèi)陸三個(gè)發(fā)射場(chǎng)在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時(shí)，落區(qū)群眾疏散始終是一個(gè)很煩瑣且很令人頭疼的問題。
3.運(yùn)輸
其他三個(gè)發(fā)射場(chǎng)都處在中西部?jī)?nèi)陸之中，火箭在廠房中制造完畢后，必須通過鐵路將一節(jié)一節(jié)的火箭運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場(chǎng)去，一路上翻山越嶺、日夜顛簸，還要經(jīng)過大大小小的涵洞、隧道、橋梁，火箭大小就必然受到限制，所以除了在文昌發(fā)射的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭，其他火箭型號(hào)直徑均未超過3.5米。
△長(zhǎng)征五號(hào)乘船到文昌航天發(fā)射場(chǎng)。
要避開鐵路限制，就必須通過陸運(yùn)或者海運(yùn)的方式到達(dá)發(fā)射場(chǎng)。發(fā)射場(chǎng)選在文昌，火箭組裝完畢后，經(jīng)天津港、渤海灣、黃海、東海、臺(tái)灣海峽、南海、瓊州海峽等海域，直達(dá)文昌清瀾港，再通過公路運(yùn)輸運(yùn)抵發(fā)射場(chǎng)。
4 要經(jīng)歷哪些挑戰(zhàn)？
天問一號(hào)由軌道器、著陸器、巡視器三個(gè)部分組成，將完成繞、落、巡三步。繞就是軌道器環(huán)繞火星進(jìn)行探測(cè)；落則是著陸器軟著陸于火星表面進(jìn)行固定位置的地面探測(cè)；巡則為巡視器（火星車）在火星表面進(jìn)行不固定位置的科學(xué)探測(cè)。
△天問一號(hào)三件套
1.宇宙環(huán)境
在探測(cè)器轉(zhuǎn)移的整個(gè)過程中，需要考慮到其他天體引力、太陽(yáng)風(fēng)以及空間輻射（空間輻射是指來自空間帶電粒子的輻射，主要有地球輻射帶、太陽(yáng)宇宙線、銀河宇宙線等的輻射）等的影響。
2.通信
由于火地距離遠(yuǎn)，火星探測(cè)器想要將信號(hào)傳輸給地球，至少需要22.3分鐘，當(dāng)人類收到信號(hào)再傳輸給火星探測(cè)器時(shí)，又需要22.3分鐘。而距離越遠(yuǎn)，信號(hào)就會(huì)越弱，再加上宇宙中的噪聲干擾，這對(duì)信號(hào)收發(fā)技術(shù)是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。
火星探測(cè)最大的難點(diǎn)在于恐怖7分鐘——即要在7分鐘內(nèi)將探測(cè)器的時(shí)速?gòu)?萬(wàn)千米降低到零著陸。因?yàn)樾盘?hào)延時(shí)的緣故，在這7分鐘里，無(wú)論火星探測(cè)器遇到什么情況，只能依靠自己解決。
火星捕獲
探測(cè)器在地火轉(zhuǎn)移軌道上經(jīng)歷約7個(gè)月的飛行后逐漸飛近火星，在近火點(diǎn)實(shí)施制動(dòng)，被火星捕獲，成為火星的人造衛(wèi)星。
△火星捕獲示意圖
火星捕獲是火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高、最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，在火星探測(cè)器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲形成環(huán)繞軌道的機(jī)會(huì)只有一次。此時(shí)探測(cè)器相對(duì)于火星的速度約為4-5千米/秒。就像兩輛高速行駛的汽車，只有前進(jìn)方向一致、相對(duì)速度為零時(shí)，才能并駕齊驅(qū)。但通信延遲給火星捕獲帶來巨大的障礙。
3.火星天氣
火星的大氣中二氧化碳占95%，著陸時(shí)它可以產(chǎn)生高達(dá)2000攝氏度的溫度。
火星上的天氣非常極端，從龍卷風(fēng)到全球性沙塵現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，有時(shí)沙塵暴還會(huì)持續(xù)數(shù)月，破壞力是地球 12 級(jí)臺(tái)風(fēng)的 6 倍。
△火星沙塵暴
5 要探測(cè)些什么？
“天問一號(hào)”的火星車需要在極端條件下，在90天內(nèi)完成5項(xiàng)任務(wù)。
1.探查火星地貌和地質(zhì)構(gòu)造；
2.分析火星土壤特征，尋找水冰分布；
3.分析火星表面物質(zhì)成分；
4.調(diào)查火星大氣與氣候；
5.探測(cè)火星電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等物理場(chǎng)。
“天問一號(hào)名稱來源于中國(guó)偉大的愛國(guó)主義詩(shī)人屈原長(zhǎng)詩(shī)《天問》，表達(dá)了中華民族對(duì)真理追求的堅(jiān)韌與執(zhí)著，體現(xiàn)了對(duì)自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學(xué)真理征途漫漫，追求科技不斷創(chuàng)新永無(wú)止境。
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