火星科普系列之三——抵达火星有多难?

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人类对地球的“姊妹星”火星的探测始于上世纪60年代，前苏联和美国率先展开，后期日本、欧空局、印度相继加入这一行列。几十年来，火星探测成功率仅为一半左右。前苏联在1960-1988年间进行了近20次探测任务，但没有一次取得完全成功。在20世纪90年代以后，成功率才达到三分之二左右。

那么，开展火星探测的难点在哪里呢？第一，距离遥远。火星距离地球在5600万—4亿千米之间，且变化区间大。地火距离和相对运动规律对方案总体设计、可靠性设计、计划管理等提出了更高要求。目前，人类探测器飞往火星耗时大约要7个月。此外，火星与地球并不处在同一平面内，轨道设计难度可想而知。由于距离问题，地火之间信号传输时延达到23分钟，标准的火星着陆过程持续时间仅7分钟左右，这意味着全程的降落过程必须依靠探测器自主完成。第二，窗口难得。根据地火在太阳系的相对运动关系，约26个月出现一次从地球发射探测器到火星的机会，这就是所谓的“窗口期”，一旦错过就需要等待两年多。在本窗口期，阿联酋“希望号”已经启程，我国“天问一号”已整装待发，美国“毅力号”也将于近期发射奔火。



地球和火星距离变化
第三，需要强力运载火箭。前往火星，不仅需要摆脱地球引力，还需要摆脱太阳的强大引力，这意味着更强力的运载火箭是探测火星的先决条件。今年的火星探测任务中，各国都拿出了自己的王牌运载火箭，阿联酋使用日本H-2A运载火箭，美国使用宇宙神五号运载火箭，我国使用长征五号运载火箭。

一次标准的霍曼转移轨道

第四，着陆难度大。火星大气密度仅为地球的1%左右，可以利用它对探测器进行减速，但过程中会产生高达2000摄氏度的热量。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。但不足以让探测器减速到可实现软着陆的水平，另需要反推发动机进行减速，实现悬停、避障、降落。

好奇者号火星车降落火星过程
第五，着陆区域与时机的选择。火星表面沟壑纵横，砂砾遍布，对着陆点的选择和火星车的路径规划提出了更高的要求。由于长期风化，缺乏温室效应又导致火星不同区域气压差很大，进一步导致火星表面风力强劲，经常出现沙尘暴。

无畏挑战的科学精神永远闪耀，探索浩瀚宇宙的步伐不会停止。我国天问一号任务目前正在做最后的发射准备，即将开启飞向火星的梦想之旅，敬请期待。