天天科普 | 什么是恐怖7分钟？关于火星探测，这些你还不知道

23日12时41分

中国首个火星探测器“天问一号”

搭乘长征五号遥四运载火箭

在中国海南文昌航天发射场发射升空

除了太阳和月亮，火星是人类最早注意到的天体之一，中国古人称火星为“荧惑”，早在春秋战国时期，诸子百家的著作中就大量出现了对“荧惑”的记载。

在古代，火星代表着“战争、不详”，小伙伴们应该都听过“荧惑守心”，这其实是地球和火星角速率不同造成的“弯道超车”视觉现象。

荧惑守心，指火星在心宿附近发生由顺行转为逆行/由逆行

转为顺行的过程中停留了一段时间的现象

英文的火星“Mars”则是罗马神话中战神“玛尔斯”的名字，连带着两颗小小的卫星都被命名为Phobos和Deimos，这是希腊神话中战神两个儿子的名字，意为“害怕”、“恐怖”。

如今火星已经成为人类向往的第二个生活基地，2015年9月，美国宇航局宣布火星上存在季节性流淌的液态水。

火星两极存在大量干冰+水冰（白），在那里引爆核弹

可以加热大气，并得到液态水 | 图源  NASA

2018年6月，好奇号火星车在火星一块岩石上发现碳基有机分子噻吩（C₄H₄S），暗示火星过去有可能存在生命。

2018年7月，科学家在整理2012年5月至2015年12月间火星探测器雷达数据时发现，在火星南极冰层下1.5千米处存在一个大型盐水湖，跨度达到20公里，是目前火星上最大的液态水体。

天文学家则推断，火星是地球的未来，随着天问一号的发射成功，人类的火星探测工程又前进了一步，今天我们来研究一下：

为什么要探索火星？

登陆火星有哪些困难？

天问一号有哪些任务要完成？

探索火星的必要性

1、火星具备成为人类新家园的硬件

从宜居环境上看，数十亿年前的火星和地球非常相似，都有全球性的海洋、河流、山脉，火星就像一个小一圈的地球。

火星的地质和内部结构与地球相似，火星上的一天大约是24小时37分，也和地球上差不多。由于火星公转轨道比地球轨道半径更大，因此火星上一年相当于地球的两年，大约为一年687天。

火星与地球极其相似，无论是结构还是昼夜/季节周期

图源NASA

火星的自转轴也是倾斜的，其赤道平面与公转平面夹角为25度，地球为23度，非常接近，因此在火星上也有四季的区分，也存在季节周期。

除了表面物质有区别外，火星与地球的相似度是非常高的，至少在90%以上，从行星分类角度看，火星和地球都被认为是类地行星。

虽然在太阳系外，也发现了一些类地行星，比如距离地球20光年、处于宜居带上的Gliese581c行星，以及600光年外、同样处于宜居带上的Kepler-22b行星。但是，它们都没有比火星更像地球。可以认为，火星是当前宇宙中与地球最相似的行星。

因此探索火星是为了有一天人类能够移民火星，甚至以此为中转，移民去其他适宜人类居住的星球。

2、更好的保护地球

根据以往的探测数据，火星在很久以前可能与地球一样，经过数亿年的演化变成了现在的样子。

为了防止地球变成第二个火星，探测火星、对火星开展系统性的研究就非常必要了，同时，科学家们也担心地球的环境变化比预想的要快，所以探测火星刻不容缓。

3、外空资源开发

美国宇航局、欧洲航天局都对火星进行了深入调查，掌握了火星表面的大部分地貌情况，并且对火星大气有了深入研究，揭开了火星大气稀薄的奥秘。

在这个背景下，中国行星探测第一站选择火星也是一种必然。从外空资源开发的角度看，遵循谁先到谁先开发的原则，中国迅速建立火星探测任务体系，也是为今后火星资源的利用奠定基础。

登陆火星需要克服哪些困难

登陆火星是非常困难的，截至阿联酋“希望号”火星探测器发射之前，人类以火星为目标开展航天器发射任务46次。

在这46次发射中，连地球引力范围都没出的失败案例就有11次，在成功前往火星的35次任务中，有5次“中道崩殂”，在前往火星的路上失联。

所以在深空探测的过程中，探测器发射成功仅仅是探测任务的“万里长征第一步”而已，相当于刚刚出了新手村。“天问一号”的火星之旅，将面临着很大的挑战。

1、距离遥远，情况不了解

难度首先存在于地火距离遥远以及对火星环境的不了解上，相比地月距离，地球与火星的距离非常遥远，最远时约为4亿千米，最近时也有约5600万千米。

以我国这次将要发射的火星探测器为例，需要飞行200多天才能到达遥远的火星。

这带来的首个挑战，就是在携带燃料有限的情况下，探测器如何能够飞越如此遥远的距离，这就需要研究者对探测器飞行轨道进行精密的设计。

根据计划，火星探测器会按照“霍曼转移轨道”飞行，在“天问一号”火星探测器发射升空后，会先在地球附近加速，进入霍曼转移轨道利用惯性保持飞行，惯性飞行过程中不需要消耗燃料。

2、需要强力运载火箭

若想成功进入霍曼转移轨道，对火箭的运载能力和入轨精度有很高的要求。月球探测器进入地月转移轨道所需的速度是10.9km/s，而火星探测器进入霍曼转移轨道的速度至少要达到第二宇宙速度（11.2km/s）。

因此，这次发射任务使用了新一代运载火箭中推力最大的“胖五”——长征五号运载火箭。

在成功进入太空后，整流罩中的火星探测器会与火箭“星箭分离”，独自飞向火星，这段旅程大概需要6~7个月。

如果一切顺利，探测器预计于明年2月左右到达火星引力势场内，切入火星轨道，被火星捕获。

图源中国科普博览

这个捕获的阶段非常关键：在切入火星轨道时，如果切入点离火星太近，探测器可能会坠毁；如果太远，探测器可能无法被引力捕获而掠过火星。

等到达火星轨道时，探测器会“刹车”降低速度，最终被火星捕获。这就是本次火星探测任务第一阶段的目标：环绕火星飞行。

火星探测器飞行效果图 | 图源国家航天局

3、登陆火星是最难的

若能成功切入火星轨道，再经过多次调整，环绕器就可以进行环绕探测了。这时我们将迎来本次火星探测任务的第二个阶段，也是最大的难点——火星着陆。

火星探测器需要将4.8km/s的超高速，减到火星着陆时的0速度，这个过程只有7分钟左右，也被称为“恐怖7分钟”。

“天问一号”着陆器及巡视器 | 图源CNSA

着陆器何时开始减速进入火星大气、进入的姿态、进入的角度都需要精准的控制，然而问题在于，我们对于火星上的环境，尤其是大气状况的了解非常有限。

再加上地火距离遥远，从地球发送到火星的单程无线电信号，单程延时为20分钟左右，难以依靠地球指挥着陆。

“天问一号”任务计划采用的减速方式将分为四个阶段进行。

第一个阶段是气动减速段，探测器会踩下“急刹车”，在大约290秒内将速度从4.8 km/s迅速降低到460 m/s。

第二个阶段探测器将打开降落伞，在大约90秒后，速度会降到约95 m/s。

随后进入第三个阶段——动力减速段，探测器的反推发动机开始工作，在80秒内将速度降到3.6 m/s以下。

当探测器距离火星表面约100 m高时，就进入了第四个着陆缓冲阶段，探测器准备开始悬停避障。

此时探测器的速度已经很慢了，探测器会自主观察火星表面，快速计算出最佳着陆点。最终它将水平移动到该点上方，伸出“四条腿”，并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。

天问一号需要完成哪些任务

“天问一号”的主要任务是发现火星上的生命迹象，评估整个火星表面的环境，与火星飞行器联合产生火星表面的地形图。

其中包括土壤的特征、物质组成等一些其他的科学数据。

“天问一号”另一项激动人心的任务，是探测火星的磁场。目前有理论认为，火星曾拥有和地球类似的磁场。然而随着火星内核中熔融的铁逐渐冷却，它的磁场也逐渐减弱甚至消失。

失去了地磁场的火星被暴露于太阳风和辐射下，并导致其失去了地表水和大气。火星的磁场究竟发生过怎样的变化？“天问一号”环绕器与火星车将为我们提供更多的证据。

| 内容来源：央视新闻、科技日报、中国科普博览、科普中国、科学大院

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