2020年7月23日中午12時41分，我國在海南文昌衛星發射中心，使用長征五號遙四火箭，將我國首顆火星探測器“天問一號”發射升空，隨後，“天問一號”探測器順利進入預定軌道，我國首次火星探測發射任務取得圓滿成功！
接下來七個月裡，“天問一號”將經過漫長的飛行，中途經歷數次深空機動與中途修正抵達火星，最終目標是力爭“一把過”，首次探測火星就“一步到位”實現火星“環繞、著陸、巡視”三大任務。
10年嘔心瀝血，26個月一次發射機會，7分鐘定成敗
據中國國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言回憶，早在2010年8月，就有8位院士聯名向國家建議，開展月球以遠深空探測的綜合論證，隨後，國家國防科技工業局開始組織專家開展了發展規劃和實施方案論證。2016年1月中國首次火星探測任務正式獲得批准立項，任務目標是在2020年這個火星探測的“窗口期”，通過一次發射，完成火星環繞、著陸和巡視探測，達成國外幾十年分多步實現的火星探測成就，邁出我國行星探測第一步，以高起點實現火星探測工程的“彎道超車”。
由於我國首次火星探測任務的目標是一步實現火星的環繞、著陸和巡視探測，組成我國首個火星探測器“天問一號”的軌道器、著陸器和火星車總重達到5噸左右，是我國迄今為止重量最重的探測器。在提出探測火星構想之時，我國運載能力最強的長征三號乙運載火箭地火轉移軌道的運力也僅為兩噸左右，這個運力遠遠無法滿足我國的探火需求。因此，2006年獲批立項研製的長征五號，因其超過5噸的地火轉移軌道發射能力，成為探火唯一的選擇。2016年11月3日，“十年磨一劍”的長征五號在文昌航天發射場首飛成功，那時，中國的首次火星探測任務才真正具備了前往火星的能力。
因為火星相對地球距離較為遙遠，最遠時超過4億公里，最近時也有5500萬公里，考慮到風險、成本等因素，探測器到火星的最佳路線為1925年提出的“霍曼轉移軌道”，採用這種軌道的航天器，從低軌道轉移到高軌道過程中，途中只需兩次發動機點火推進，相對而言更加節省燃料，被認為是效率最高的探火路徑。然而該軌道每26個月才能出現一次，所以每隔26個月左右才能遇到一次探測火星的“窗口期”。之前，中國空間技術研究院技術顧問、中國科學院院士葉培建在接受媒體採訪時曾表示，我們已經丟失了2013年的窗口，也失去了2015年的窗口，也不可能在2018年探測火星，絕對不能夠再失去2020年的窗口。由於火星探測器發射窗口的特殊性，決定了任何一項工作的拖延都可能對整個發射任務造成不可估量的影響，因此，此次中國火星探測任務對探測器系統、運載火箭系統、發射場系統、測控系統、地面應用系統各分系統都帶來了極大的考驗。
據瞭解，中國火星探測任務飛行過程包括髮射、地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測等六個階段。其中離軌著陸被認為是技術難度最大，同時也是失敗概率最高的一個階段，在這個階段探測器要經歷入軌、下降與著陸過程。據中國航天科技集團有限公司科技委主任包為民院士介紹，火星探測器在飛向火星的途中一直處於高速飛行狀態，所以在著陸之前，需要先將速度降下來。著陸巡視器從必須從每秒4.8公里的速度，到著陸的地方減到每秒0米，這個過程大約耗時7~8分鐘，雖然時間短，卻是整個任務的關鍵點，因為它的成功與否，直接決定著任務的成敗。
人類探火成功率約42%，為何我們非去不可
據公開數據統計，迄今為止，人類探火的完全成功率約為42%，這項成功率比難度極大的人類探月約53%的成功率還要低。縱觀人類航天史，目前也僅有美國和前蘇聯兩個國家成功實現登陸火星，其中美國的海盜1號和海盜2號火星探測器還是迄今為止唯一成功實現通過一次發射完成環繞探測和著陸探測的探測器。
然而，儘管探測火星是一項高風險的嘗試，卻依舊讓傳統航天大國，乃至非傳統航天大國“趨之若鶩”, 自1996年以來，幾乎每隔26個月的發射窗口都有火星探測器發射任務。而在2020年夏，就有三個國家的探測器會前往火星，分別是阿聯酋的“希望”號火星探測器、美國“毅力號”火星車和中國“天問一號”火星探測器。
既然探測火星“勝算“不到一半，為何如此多的國家還甘願不計代價“放手一搏”呢？
基於人類目前對於火星的認知，火星是離地球較近且環境最相似的星球，一直是人類走出地月系統開展深空探測的前站。在太陽系八大行星中，火星的物理性質和化學性質與地球最為相近。火星主要是由硅酸鹽岩石構成，有類似地球的岩石地表，火星擁有高山、平原和峽谷等多種地形，南方充滿隕石撞擊的高地和峽谷，北方則多是被熔岩填平的平原，由於自轉軸傾角和自轉週期與地球相近，火星的晝夜長短及四季變化與地球也幾乎一樣。
在以往的探測中還發現，火星的表面似乎有液態水流過的痕跡，現有證據已表明有水冰存在於火星極地的冰蓋中。水的發現，引發了人們對於火星上是否存在孕育生命條件以及火星是地球過去還是地球未來的思考和探索，研究火星對認識地球演變具有非常重要的比較意義。此次中國首次火星探測任務，就將對火星的形貌與地質構造特徵，火星表面物質組成，以及火星表面土壤特徵與水冰分佈展開研究。
此外，與和地球相類似的是，火星周圍也有大氣層。區別在於，火星大氣層的主要成分是二氧化碳，但是人類可以通過技術手段對火星進行“改造“，從火星大氣的二氧化碳中提取出氧氣，這樣不僅可以供人類呼吸，還能製成燃料。
而基於人類現有的航天能力，飛行時間8~10個月即可抵達火星，相比更遠的行星和衛星，探索火星的任務週期更為合適。
因為火星與地球有著較為類似的環境和探火不超越人類技術能力的可行性，使得未來機器人或人類駐守火星成為可能。在載人登月之後，火星也被公認為是人類登陸行星的首選目標。
挑戰前所未有，如何確保萬無一失
相較於之前“五戰五捷”的月球探測，中國的火星探測任務難度更大。由於火星相對地球距離較為遙遠，最遠時超過4億公里，最近時也有5500萬公里，探測器需要在地火轉移軌道上飛行近7個月，還將進行2至3個月的火星環繞飛行，所以對發射、軌道、控制、通信和電源等技術都提出了很高的要求。
在發射方面，為了將5噸重的探測器一舉送入地火轉移軌道，這就需要長征五號運載火箭飛出超過11.2千米/秒的第二宇宙速度。因為只有當航天器的速度達到每秒11.2千米的第二宇宙速度時，才能完全擺脫地球引力，去往太陽系內的其他天體。因此，第二宇宙速度也被稱為“逃逸速度”。此前，中國的長征三號乙運載火箭託舉嫦娥月球探測器進入地月轉移軌道時飛出了超過10千米/秒的速度。而據長征五號火箭總設計師李東介紹稱。“此次發射火星探測器，是長征五號火箭第一次達到並超過第二宇宙速度，同時也飛出了我國運載火箭的最快速度”。
由於地球和火星之間的相對位置不斷變化，發射火星探測器就像是在打一個“移動靶”，只有不斷地調整發射軌道，才能確保“天問一號“探測器更加精確地入軌，在奔向火星的過程中節約自身燃料，因此，此次探火任務就對火箭的軌道設計提出了更高的要求。為了讓“天問一號”更加精確地入軌，來自中國航天科技集團一院的研製團隊創新性地進行了精細化的“窄窗口多軌道”設計，將14天窗口期內每一天30分鐘的發射窗口細分成3個寬度10分鐘的窗口，對應3條發射軌道，一共設計了42條發射軌道，創造了單次發射軌道設計數量的新紀錄，將軌道偏差控制在非常小的範圍內。還首次實現了發射軌道的自動切換，火箭可自動比對時間，自動切換軌道。這在中國航天的發射史上是絕無僅有的創舉。
此外，為滿足我國首次火星探測任務需求，先前，承擔”天問一號“測控任務的西安衛星測控中心還對地面測控通信系統進行了適應性改造。據瞭解，“天問一號”火星探測器成功進入地火轉移軌道後，西安衛星測控中心喀什深空站、佳木斯深空站將為其提供全程測控支持。相比探月任務，火星探測器最遠有將近4億公里的探測距離，還將在地火轉移軌道飛行7個月的時間，這些對測控通信系統而言都將是前所未有的考驗。為此，西安衛星測控中心重點對兩個深空站的對頻率綜合系統、多功能數字基帶、監視和控制系統設備軟硬件進行升級，為執行相關任務提供更加穩定、強大的測控保障。
接下來，“天問一號”在經過數次深空機動與中途修正之後，預計在明年2月，就將到達火星的引力場範圍內，然後通過制動被火星的引力場捕獲，捕獲成功之後就將進入火星的循環軌道，再經過多次的調整，就可以進行我國首次火星環繞探測了。
通過2到3個月的環繞飛行後，探測器將在著陸區上空對著陸區開展探測，並擇機實施降軌機動，著陸巡視器將與環繞器分離。環繞器升軌返回到停泊軌道，為著陸巡視器登陸火星地表的過程提供中繼通信。著陸巡視器則將進入火星大氣，經過一系列的動作之後，著陸於火星表面。著陸後，火星車將與著陸平臺分離，並駛離著陸平臺，開始開展火星地表巡視探測。可以說，“天問一號”未來前進的每一步都在迎接挑戰，也在創造歷史。
道阻且長，行則將至，惟其艱難，方顯勇毅。祝“天問一號”一切順利!
環球時報記者 樊巍 通訊員 周倫傑、呂炳宏
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