7月23日12时41分，我国首个火星探测器由长征五号运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射，标志着我国首次火星探测任务——天问一号任务正式实施。人类为什么要向火星进军？探索火星将会带来怎样的价值和意义？火星是否真的会成为地球之外的另一个人类家园？带着这些问题，中国的首次火星探测之旅拉开了帷幕。
日月安属？列星安陈？早在先秦时期，屈原就对当时天文学提出了种种质疑——可以说，“天问”是可贵科学精神的萌芽。
一直以来，火星这颗神秘红色星球，都吸引着人类不断深入探索。望远镜发明之后，科学家还精细测绘出火星表面地图。近代以来，火星激发着作家们的创作热情，《火星纪事》《火星救援》《红火星》《绿火星》……从小说到电影，这颗红色星球备受科幻学者青睐。
科学家们为何独爱火星呢？在太阳系八大行星中，火星与地球拥有最相近的体积、温度，几乎一样的自转周期，就连物理性质与化学性质也最为相似。有研究表明，火星拥有高山、平原与峡谷等多种地形，其昼夜长短及四季变化与地球也几乎一样。大约在40亿年前，火星上甚至还有过河流和海洋，那时的火星可能比现在的地球还要宜居。然而今天，那里却是一片干燥、荒凉的绝境。
后来，人类搭载多光谱相机与许多传感器的轨道器，绘制了火星表面矿物与近表面水的分布图，并渐渐认识到火星环境是如何被改变的。原来，在远古时期，火星上的大气层比现在更厚，气候也更加温暖湿润。科学家们甚至认为，地球上的生命与火星生命同源。因此，我们研究火星的现在，或许可以预测地球的未来。目前，全世界科学家们都在努力探究，甚至寄希望于把这个神秘红色星球慢慢改造成为一个绿色星球、最后成为一个蓝色星球，以适宜人类居住。
为什么要去火星
在太阳系八大行星中，火星与地球最为相似。有科学家认为，火星是人类唯一可能实现大规模移居的行星。因此，火星一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。通过以往探测，人类发现了火星上存在水的证据，进而，火星上是否存在孕育生命条件以及火星是地球的过去还是地球的未来，成为火星研究重大科学问题。火星还是离地球较近的行星，基于现有航天能力，探测器飞行约7个月就可到达，与更远的行星和卫星相比，任务周期更为合适。
首次火星探测任务工程副总指挥、国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠告诉记者，“研究火星的意义不仅在于火星本身，我们可以通过研究火星的演化进而更好地了解太阳系、地球。研究火星对认识与了解地球演变、人类发展具有非常重要的意义”。
据火星探测器抓总研制单位航天科技集团五院深空探测领域专家介绍，国际上对于火星的探测，起步于20世纪60年代，截至今年6月底，国际上共发射了44个火星探测器，但任务成功概率仅为50%左右。
价值数十亿元的航天器一个个消失在太空中，这并没有阻挡人类前赴后继探索火星的步伐。上世纪90年代至今，国际火星探测以发展新技术与获得科学发现为主要驱动力，催生了又一个火星探测新高潮，并在技术发展与科学研究等方面取得巨大进步。其中，在技术发展水平方面，国际上已实现对火星的飞掠、环绕、着陆、巡视探测，技术难度更大的采样返回与载人探测仍有待突破技术瓶颈。
在科学研究成果方面，国际上通过不同探测形式与任务，在火星轨道运动规律与参数、火星大气、火星地形地貌与地质构造等多方面取得了巨大成就。特别是水的发现，极大激发了人们在火星上寻找生命的热情，成为近期国际深空探测的热点。这些探索与成就为我国首次火星探测树立了前进方向，也向我们探索火星提出了挑战。
回望我国火星探测历史，其实早在“嫦娥一号”任务取得圆满成功之后，业内专家即开始谋划我国深空探测后续发展。2010年8月，8位院士联名向国家建议，开展月球以外深空探测的综合论证。国防科工局立即组织专家组开展了发展规划与实施方案论证，多位院士、国家航天局专家积极参与论证工作，对实施方案进行了3轮迭代深化，在综合考虑航天技术能力与国际火星探测发展趋势基础上，终于2016年1月正式立项实施。
一次实现“绕、着、巡”
火星相对地球距离较为遥远，这对发射、轨道、控制、通信与电源等技术都提出了很高要求。考虑到风险、成本等因素，科学家霍曼于1925年提出“霍曼轨道”概念——这条轨道是地球航天器到达火星的最佳路线。由于该轨道每26个月才出现一次，且最近“霍曼轨道”形成时间为2020年夏季，因此，今年，中国、美国、阿联酋等竞相加入“探火”大军。
中国作为火星探测的后起之秀，起步虽晚，但起点高、跨越大，从立项伊始就瞄准世界先进水平确定任务目标，明确提出在国际上首次通过一次发射，完成“环绕、着陆、巡视探测”三大任务。如果这一目标能够顺利实现，我国将成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。
然而，面对遥远而未知的星球，“天问一号”奔赴火星的旅程中不可避免要经受新环境的考验。就现有资料显示，有关火星上稀薄大气、风场、尘暴、火面地形地貌等基础数据非常少，且不确定性大，崭新的行星际空间环境使得原本风险极高的探测任务难度更上一层楼；而最长旅途4亿公里的远距离，以及大时延等火星新约束条件，对探测器自主能力要求非常高。这对于火星成功进入与着陆、测控通信、火星车能源、热控、火面移动等一系列设计，以及电子产品的工艺、环境适应性等方方面面带来巨大挑战与不确定性。
航天科技集团五院深空探测领域专家介绍，他们抓总研制的“天问一号”火星探测器，由环绕器与着陆巡视器组成，重量达5吨左右。其中，着陆巡视器又由进入舱与火星车组成，进入舱完成火星进入、下降与着陆任务；火星车将携带6台仪器，包括探地雷达、光谱相机、小型气象站等仪器，着陆后将在着陆区开展巡视探测；火星环绕器将携带7台科学仪器，包括高、中分辨率相机、光谱仪、磁力计等。
人类探测火星的方式与探测月球的方式基本相似，包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测等5种。其中，采用环绕探测方式可以对火星整体普查，甚至实现全球勘测；采用着陆探测与巡视探测方式可以对火星开展区域性详查；采用采样返回探测与载人登陆探测方式可以对火星开展区域性精查。它们按前后顺序来说，技术难度越来越大，因此一般都采用循序渐进的方式，先环绕探测，然后着陆探测、巡视探测、采样返回探测，最终载人登陆探测。
在人类探月历程中，上述探测方式均采用过，但每次发射基本仅采用一两种。与月球探测相比，火星与地球间距离遥远得多，因而探测火星的难度也大得多。至今，人类对火星的探测只采用过环绕探测、着陆探测、巡视探测方式，未来目标是对火星开展采样返回探测与载人登陆探测，但难度、投资和风险都将很大。
一次发射完成多种探测的好处是可以“少花钱，多办事”，但技术复杂，风险很大，所以一般很少采用。目前，只有美国的海盗1号与海盗2号火星探测器成功实现通过一次发射完成环绕探测和着陆探测。欧洲曾两次开展类似的火星探测活动，均只完成了环绕探测，着陆探测则以失败告终。
奔火之路“胖五”助力
运载火箭是开展一切航天活动的前提与基础。如果说，拥有运载火箭是加入“太空俱乐部”的入场券，那么运载火箭的运载能力则决定了火箭在俱乐部中的会员等级。
将重达5吨的探测器送往遥远的火星，需要有更大运载能力的火箭。在我国现役火箭俱乐部中，目前只有超级会员“胖五”能担此重任。
“胖五”，即长征五号运载火箭，因其粗壮外形被网友亲切地称为“胖五”。它不仅是我国最高、体积最大的火箭，也是运载能力最强的火箭——起飞质量约870吨，具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨运载能力。因此，它可以把5吨的载荷送入地火转移轨道，令一次发射实现对火星绕、着、巡3类探测成为可能。
“胖五”助力探测器奔火一共分几步？打一个比方，一位司机从家中出发前往目的地有3个步骤：启动汽车、开车、停车。从地球出发前往火星也需要3个步骤：摆脱地球引力与稠密大气、进入太阳系内星际空间，最终到达火星并落在上面。
“胖五”提供的发射能量将是探测器飞往火星的主要能量来源。为完成第一步“摆脱地球引力与稠密大气”，“胖五”首次飞出11.2千米/秒的第二宇宙速度，托举“天问一号”完全脱离地球引力，奔向火星。第二宇宙速度也称为逃逸速度，达到这一速度的航天器将成为围绕太阳运行的人造行星。
在地火转移轨道上，探测器与运载火箭分离。这时，漫长的探火之旅才正式开启。在此过程中，探测器大约还要飞行7个月，飞行旅程数亿千米，期间经过不断修正轨道偏差，最终才能抵达火星轨道。最后，完成了光荣使命的“胖五”火箭将节节分离，残骸最终掉落公海，不会对环境造成任何威胁。
探火之旅步步惊心
把火星探测器送上太空只是万里长征第一步，探测器还要面临地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆等多个阶段，可谓步步惊心。
首先，探测器需要在靠近火星附近时实施制动，实现被火星的引力场所捕获，进入周期约10个火星日的环火椭圆轨道。接着，探测器会择机实施降轨机动，而后，着陆巡视器将会完成与环绕器的分离。
接下来，着陆巡视器终于出场了，但等待它的将是更严酷的考验。着陆巡视器奔向火星的过程中，最大的难点在于“恐怖7分钟”，即再入、下降与着陆过程中，着陆巡视器的时速需要在7分钟内从1.8万千米/小时的速度降低至0，这就像一列比高铁列车最快时速还要高50倍的列车，突然进行紧急刹车，稍有不慎，高速行驶的火星车便会粉身碎骨化为灰烬。
经历了上述考验后，降落伞将帮助火星车减速。随后，着陆巡视器将开启全自动驾驶模式，自主完成减速、悬停，避开火星表面复杂地形后，缓缓降落至火星表面。即便经历重重困难登陆成功，火星车还要穿越崎岖不平、坑坑洼洼的地形，经历强风与大范围沙暴，承受火星表面强烈宇宙射线照射等困难。
后续，火星车将会开展为期3个月的火星表面巡视探测。我们的科学目标是：研究火星形貌与地质构造特征、研究火星表面土壤特征与水冰分布、研究火星表面物质组成、研究火星大气电离层及表面气候与环境特征、研究火星物理场与内部结构，从而建立起对火星全面而基础的认识。
刘继忠介绍，通过实施首次火星探测任务，我国将突破火星制动捕获、长期自主管理、火星表面巡视等关键技术，实现火星环绕探测与巡视探测，获取火星探测科学数据，实现我国在深空探测领域的技术跨越。特别是在远距离测控通信方面，我们对深空网站开展改造和建设，具备了深空测控的基本能力；还建立了一套完整深空探测工程体系，包括设计、制造、试验、飞行任务实施、科学研究、工程管理以及人才队伍，推动我国深空探测可持续发展。
