我们如何去火星？

转载自：星球研究所

作者：星球研究所

本文经微信公众号“星球研究所“授权转载

探索精神镌刻在人类的基因中，伴随着整个人类发展史。

大约6.5万年前，现代人类的祖先走出非洲，寻找新的家园，这次组团远征，人类几乎将足迹印在了地球上每一块大陆、每一座海岛。

早期人类迁徙路线图，依据《Going global: How humans conquered the world/NewScientist》（未考虑最新研究） | 制图@张靖/星球研究所

1492年8月3日，哥伦布从西班牙出发，横渡大西洋，经过漫长的航行，成功抵达美洲开拓了新天地。

西班牙巴塞罗那哥伦布雕像 | 图片来源@VCG

1909年和1911年，美国人罗伯特·皮尔里和挪威人罗尔德·阿蒙森率领的团队经过艰苦行程，分别第一个到达北极点和南极点。

前往北极的破冰船 | 图片来源@VCG

1953年5月29日，新西兰登山者埃德蒙·希拉里和夏尔巴人丹增·诺尔盖成为首批成功登顶珠峰的人，揭开了地球上最高点的神秘面纱。

埃德蒙·希拉里和丹增·诺尔盖 | 图片来源@wiki

地球已经不能满足人类探索的需求，神秘的宇宙成为新的目标。经过无数人的努力和付出，1969年7月20日，人类首次登上月球，迈出了历史性的一步。

宇航员巴兹·奥尔德林在登月舱附近的月球表面行走 | 图片来源@NASA

而现在，我们又将目光投向了地球的姊妹星球——火星。

HiRISE相机拍摄的火星南部黑尔撞击坑（Hale crater）边缘附近的沟壑 | 图片来源@NASA

尽管困难重重，但面对星辰大海人类从未退缩。在1960年10月10日，人类进行了第一次尝试，苏联发射了探测器“火星1A”号，拉开了人类探索火星的序幕。

2020年将是人类探索火星的第60个年头，届时将有四个火星探测任务齐聚。我国也将于明年在海南文昌发射火星探测器，此次任务由我国最高最胖最重的“胖五”运载火箭——长征五号火箭承担。

此次探测将挑战一次完成“环绕、着陆、巡视”三个探测任务，这在世界上是前所未有的。

长征五号遥二火箭由海南文昌发射场总装大楼转移至101发射工位 | 图片来源@wiki

为什么大家都不约而同选择2020年？它有何特殊之处？

I

26个月

人类去往40万千米外的月球仅仅需要4天时间，然而地球和火星最近时也有5600万千米的距离，是地月距离的140倍，更别提两者相距最远时可达4亿千米。

地球、火星公转及距离关系示意图，黄色为太阳、蓝色为地球、红色为火星 | 图片源自@NASA

理想的情况当然是沿着地球和火星之间最短的距离，径直飞向火星，但是目前还没有任何一个火箭可以强大到如此地步。

因此我们需要借助地球的公转速度，沿着一条连接地球与火星的椭圆形轨道，把飞船“甩”到火星，这便是著名的“霍曼转移轨道”。

由德国科学家沃尔特·霍曼（Walter Hohmann）在1925年发现并命名的霍曼转移轨道 | 制图@赵榜/星球研究所

要想能够沿着这样的轨道飞行，需要等待地球、太阳的连线和火星、太阳的连线大约呈70°夹角，此时在地球上发射探测器才能保证顺利抵达火星轨道。

这样的时机被称为“发射窗口”，它并不是一个确定的时间点，而是一个时间范围。对于火星来说，这个发射窗口每26个月才有一次，丢了这样的机会，就得再等两年零两个月。

而2020年，一个新的发射窗口即将出现，中国、美国、阿联酋、欧洲和俄罗斯已经纷纷摩拳擦掌，准备着各自的发射计划。

美国宇航局将于2020年发射的火星探测器，概念图 | 图片来源@NASA

那么明年会有怎样的困难在等着他们呢？

II

43%

要想知道明年会遇到怎样的艰辛，不妨看看历史上火星探测器的命运。到目前为止，人类共执行过44次无人火星探测任务，其中成功的有19次，成功率只有43%。

历史上的火星任务 | 制图@赵榜/星球研究所

1960年10月10日，苏联发射了人类历史上第一个火星探测器“火星1A”号，可惜因为故障，发射没多久就失败了，第一位勇士铩羽而归。

之后的几颗也都相继失败，直到4年后，美国发射的“水手4号”才成功飞掠火星。

水手4号拍摄的火星 | 图片来源@NASA

有了成功飞掠的经历，人类开始不再满足于火星“惊鸿一瞥”的身影，希望能够长时间、多角度地观察这颗红色星球，甚至是近距离亲密接触。

1971年5月19日、28日，苏联接连发射了两艘去往火星的飞船，分别携带着火星2号和火星3号着陆器。

火星3号，上方为着陆器 | 图片来源@NASA

火星2号本来有望成为第一个成功登陆火星的探测器，可惜时运不佳，它以每秒6千米的速度一头扎进了火星上的沙尘暴中，还没来得及传回数据，便已粉身碎骨。

全球性的火星沙尘暴前后对比 | 图片来源@NASA

火星3号倒是成功实现了软着陆，可惜十几秒后又被沙尘暴摧毁了通讯系统，这该死的沙尘暴！

4年后，美国在1975年发射了海盗1号和海盗2号两艘飞船，成功登陆了火星。劫后余生的海盗1号“心情极佳”，首先来了张“自拍”，向地球报了平安，表示已安全抵达且成像系统工作良好。

海盗1号对着自己的脚垫区域来了张局部自拍 | 图片来源@NASA

随后，越来越多的图像传回地球，揭下了火星神秘的面纱。海盗1号和海盗2号俩兄弟在火星上并肩作战，对火星展开一系列研究。

火星地表的第一张彩色照片由海盗1号拍摄 | 图片来源@NASA

但首次的成功并不意味着以后的一帆风顺，拓荒的道路注定是坎坷的。

1988年苏联实施了福波斯计划，一条从地面发送的错误指令导致福波斯1号失联，成功实施轨道环绕的福波斯2号也没能成功登陆火星。

1993年美国发射的火星观察者号进入轨道，但却由于推进剂泄露导致故障，无法与地球正常通信。

接连的失败并没有打消人类的积极性，而是让人愈挫愈勇。NASA决定更频繁地实施火星任务，在“更好、更快、更便宜”的口号下，1996年接连发射了火星全球勘测者号、火星探路者号两颗探测器，并且都取得了不错的战绩。

火星全球勘测者拍摄的火星北极极冠 | 图片来源@NASA

两次成功的经历让NASA决定再发射两枚火星探测器——火星气候探测器和火星极地着陆器，用以研究火星气候变化历史。这一次没有像往常那么幸运，前者在火星大气层中解体，后者坠毁在火星表面。

在佛罗里达州肯尼迪航天中心，德尔塔II型一次性运载火箭载着火星气候探测器升空 | 图片来源@NASA

纵观历史上的火星探测任务，不少探测器都阵亡在“恐怖7分钟”。“恐怖7分钟”是NASA火星科学家的一种内部说法，探测器从大气层顶部降落，再急剧减速降落，到最后着陆火星表面，全程大约7分钟。

在这“恐怖7分钟”中，探测器需要全自动精准完成数千个步骤，在地球科学家发现探测器是否成功降落前，整个着陆过程就已经完成。

火星凤凰号着陆过程最后一步的想象图 | 图片来源@NASA

去往火星的尝试就在一次次失败和成功的交替中前行。

III

登陆火星

让探测器安全抵达火星表面，已是九死一生，但人类已经在为下一个阶段的探索做准备：亲自踏上火星。

2010年，美国总统奥巴马在肯尼迪航天中心宣布了新的太空探索计划，希望在21世纪30年代中期实现环绕火星的载人航天飞行。一些私人企业也宣布了自己的火星移民计划。

人类登陆火星想象图 | 图片来源@VCG

封面图片来源：VCG，人类登陆火星想象图

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