倒计时，三国竞奔火星！

作者：张砚斌

校对：杨伯顺 王婧彧 王茸 张宇辰

审阅：牧夫校对组

后台：库特莉亚夫卡 李子琦

掐指一算，这个7月注定是热闹的。目前为止，7月份将会有3个国家计划发射火星探测器，分别是阿联酋，中国和美国。欧洲航天局与俄罗斯航天局合作的“火星太空生物学（ExoMars）”计划的探测器本应该也是这次“玩火”大队的一员，但是受到今年新冠疫情的影响，该计划不得不推迟到下一个窗口。

首先，我们来看一下，为什么大家都选择在这个时间点发射火星探测器？

通俗易懂地说，现阶段正好是地球和火星离得很近的时候。由于地球和火星的两个轨道都是椭圆形的，火星绕太阳一圈需要不到两个地球年，于是就造成了地球和火星的空间距离上的变化。而当火星和地球相距最近的时候，正是发射探测器的完美时机，因为此时需要飞行的距离是最短的。

飞行距离短意味着所需要的燃料就少。要知道，运送一个航天器上天所需要的燃料很多，约占总重量的50%，甚至更多。如果我们选择在其他的时间发射探测器，探测器需要飞得更远更快，那就需要更多的燃料提供动力来推动它到达目的地，费力费时不说，还费钱。

所以，如果选择在两颗星球离得最近的时候发射，则意味着路程短，携带的燃料相对较少，那么成本也就更低，这可是一个一举多得的机会。在太空探索领域，我们称之为“窗口期”。大约每隔26个月才会出现一次适合从地球发射探测器到火星的机会。所以，如果错过这个窗口期，就要等下一个窗口期了，比如欧洲和俄罗斯合作的 “火星太空生物学 “计划就不得不推迟到2022年。

霍曼转移轨道

在太空动力学中，霍曼转移轨道是一种变换太空船轨道的方法，途中只需要两次引擎推进，相对节省燃料。从地球发射探测器去火星，就需要利用此方法。如果图中1表示地球轨道，那么2就是霍曼转移轨道，3就是火星轨道。通过两次加速来达到预定的火星轨道。所以在窗口期发射的探测器通过霍曼转移轨道走的路程是较短的。

Credit：https://en.wikipedia.org/wiki/Hohmann_transfer_orbit

如图所示，其中的地火转移轨道即为霍曼转移轨道，对应着上图的黄色轨道2

Credit:果壳

除了26个月才有一次的窗口期外，火星作为太空竞赛的下一个主战场也是大家争相扎堆发射探测器的原因之一。那么接下来，就有请我们的三位选手。

一号选手：希望号

希望号探测器属于阿联酋。阿联酋作为一个在航天领域很少出现在公众视野中的国家，给人的第一印象就是石油。可是时代改变了，立志成为“学霸”的阿联酋要打破世界对它的固有看法，并且制定了一系列野心勃勃的太空计划。2019年，阿联酋成功把自己的宇航员送上太空。2020年，希望号作为阿联酋第一次深空探测项目，目标定在了火星。它的任务是绘制第一幅完整的火星大气图像，并且寻找大气外泄的秘密。

名称：希望号（Hope）

规格：如下图所示

搭载火箭：日本H2A 运载火箭

预计发射时间：7月15日

地点：日本种子岛航天中心

任务周期：一个火星年（约为687天 ）

设备：Emirates mars infrared spectrometer (EMIRS) 红外光谱仪（酋长国专属），用来测量火星灰尘，冰相云，水蒸气以及温度分布。同时也将通过下面两种仪器的观测结果建立起低层大气和顶层大气的关系

Emirates exploration imager (EXI) 探测成像仪（酋长国专属）， 该仪器主要是捕捉火星高分辨率的图片。

Emirates mars ultraviolet spectrometer (EMUS) 紫外分光计（酋长国专属）将会用于大气中的氢氧 的测量分析

任务：

1.通过火星低层大气的特性，了解火星的天气动态以及绘制全球气象图。

2.通过低层大气状况和高层大气的对比，尝试解释天气过程是如何改变大气中氢氧逃逸的。

3.了解顶层大气中氢氧分子的结构和动态，同时确定为什么它们从火星中逃逸了。

看点：

关键词：“土豪成学霸”。作为土豪国的飞行器，就是最大的看点，让我们拭目以待，瞧瞧这个土豪是如何成为学霸的。

此图为阿联酋希望号，图中数字为希望号的规格。重1350千克（包含燃料）， 体积为3m* 7.9m(太阳能板打开的情况下)，配备有1.85m通讯天线以及用来充电的600瓦太阳能板。

Credit: Emirates mars mission

二号选手：天问一号

天问一号选手来自中国。对于中国来说，这也是第一次有计划的探索火星。自从2011年“萤火一号”任务失败之后，中国就加快了步伐，天问一号被寄予了厚望。正如“天问”这个名字背后的含义一样，天问一号将会怀揣着中华民族对于世间万象的发问而升空。先贤之问，吾辈答之。

名称：天问一号

规格：轨道器重 3175千克，巡视器（火星车）重240千克，长2米，宽1.65米，高0.8米

搭载火箭：长征五号遥四火箭

预计发射时间：2020年7月23日

发射地点：海南文昌航天中心

预计登陆时间：2021年4月23日

登陆地点：乌托邦平原

任务周期：轨道器大约运行一个地球年；巡视器大约运行90个火星日（1个火星日约为24小时39分35秒）

设备：火星磁强计，高分辨率相机，矿物光谱仪，离子和中性粒子分析仪，探地雷达，地表磁场

探测器

任务：对火星大气，地表环境做初步分析，寻找水和生命存在的证据

看点：

关键词：“一步到位，弯道超车”。天问一号这一次的任务很重，因为它要一次性实现“绕”“落”“巡”三个步骤，也就是轨道飞行器成功绕轨飞行，着陆器成功软着陆，巡视器成功巡视。首次探索火星，就要实现三阶段，可以说是一项巨大的挑战。

轨道器

Credit: https://space.skyrocket.de/doc_sdat/tianwen-1.htm

着陆器

Credit: https://space.skyrocket.de/doc_sdat/tianwen-1.htm

巡视器（火星车）

Credit: https://space.skyrocket.de/doc_sdat/tianwen-

三号选手：毅力号

毅力号是来自美国的一位选手。美国是一位“登陆火星“的老玩家了，在过去的的几十年里，美国已经进行过数次的火星登陆计划，其中广为人知的就是勇气号，机遇号。而这一次，毅力号将会接过接力棒，继续探索火星。

名称：毅力号（Perseverance）

规格：3米长，2.7米宽，2.2米高, 质量为1025千克

搭载火箭：宇宙神5-541运载火箭

预计发射时间：2020年7月30日 

地点：美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地

预计登陆时间：2021年2月18日

登陆地点：耶泽洛陨石坑

任务周期：大约一个火星年（大约687天）

设备：

1.全景立体成像高级相机系统（The Mast-mounted camera system, Mastcam-Z）

2.火星环境动力学分析仪（The Mars Environmental Dynamics Analyzer, MEDA）

3.射线行星岩石分析仪 （The planetary instrument for X-ray Lithochemistry, PIXL）

4.制氧系统（The Mars Oxygen In-situ Resource Utilization Experiment, Moxie）

5.生命迹象探测设备（Scanning Habitable Environment With Raman & Luminescence for Organics and ChemicalSHERLOC)

6.火星地下实验雷达影像仪器（The Radar Imager for Mars’ Subsurface Experiment，RIMFAX）

主要任务：寻找火星上古代生命的证据。收集岩石土壤岩心样本并且“缓存”起来以便于将来送回地球。

看点：

关键词1：“飞行尝试”。除了寻找生命证据以外，毅力号还将会首次携带旋翼无人机“机智号”（Ingenuity）登上火星。这是人类首次在另一个星球尝试旋翼飞行，要知道火星的空气和地球是不同的，能否在火星上完成自动控制飞行还是一个未知数。

关键词2：“改造火星” 。毅力号将会携带制氧仪器，利用火星上的二氧化碳尝试制氧。这将是首次，并且也可能是划时代的一次，如果成功，可能将会拉开“改造火星”的序幕。

图为：毅力号

Credit：NASA

裁判发言

这就是三位即将参加火星大赛的选手。接下来，每隔一个星期都会有一个航天器按照计划被送往火星。不管是作为新手小白的阿联酋，还是加快步伐奔向星辰大海的中国，抑或是高端玩家的NASA，我们希望每一个计划都可以取得圆满成功。明天，就是我们的第一位选手，来自阿联酋的希望号发射的时间，让我们祝它发射成功。

参考及扩展资料：

https://www.emiratesmarsmission.ae/

https://en.wikipedia.org/wiki/Tianwen-1

https://www.forbes.com/sites/jamiecartereurope/2020/07/08/mars-alert-why-three-spacecraft-must-leave-for-the-red-planet-within-days-or-miss-their-chance/#77db5a15f936

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01861-0

https://www.nasa.gov/perseverance

http://www.spaceflightfans.cn/10246.html

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

想登火星的懂王现在连欧洲都进不去