“天问一号”踏上奔火征途

2016年1月，中国火星探测任务正式获批立项。2020年4月，任务被正式命名为“天问一号”，这是中国首次自主实施的火星探测任务。2020年7月23日12时41分，“天问一号”搭乘长征五号遥四运载火箭在文昌航天发射场顺利发射，在飞行2177秒后进入地火转移轨道，开启为期7个月的奔火之旅。下面让我们一起跟随“天问一号”开启火星之旅吧。

火星最佳发射窗口期

发射窗口是指允许探测器发射的时间范围。要顺利实现火星探测，必须让探测器到达火星轨道时，火星也刚好运行到附近，这就对发射时机有一定的要求，地球、火星必须处于特定位置时才能发射。

如果把太阳系的椭圆轨道想象成一个大操场，火星在第四跑道，外圈距离长、跑得慢，地球在第三跑道，内圈跑得快。那么，从内圈到外圈发射探测器，最省力的方式一定是火星在前、地球在后，这样才有可能追上。而地球公转周期365天，火星公转周期687天。经过科学家的计算，大约每隔26个月地球与火星的特定位置关系会重现一次，即出现发射窗口期。

但由于地球比火星“跑”得快，在探测器发射不久，地球会在某一个位置追上火星，往往在火星探测器发射之后大约两个月左右，紧接着就会发生“火星冲日”（即太阳、地球、火星在一条直线上，直线距离最近）。因此，发射窗口期和“火星冲日”并不是一个时间点，网上存在的一定要在“火星冲日”时发射火星探测器的说法并不准确。

由于路途遥远，从地球发射探测器到达火星，一般都采用能最大限度节省推进剂的轨道。考虑到风险、成本等因素，地球航天器到火星的最佳路线为1925年德国航天工程师瓦尔特•霍曼博士提出的“霍曼轨道”。最近一次的“霍曼轨道”形成时间为2020年夏，所以阿联酋“希望”号、中国“天问一号”和美国“火星2020”都选择了在这一窗口期相继实施发射。

地火最优转移轨道——霍曼转移轨道

通俗地说，霍曼转移轨道就是在行星之间荡秋千。探测器算好时间，在行星之间借力飞行荡秋千，从一个行星荡向另一个行星，一步步接近目标行星。

霍曼转移轨道是实现绕同一质心且在同一平面内圆轨道运行的两个行星之间最节省推进剂的一种转移轨道，理论上仅需要两次加速：第一次是在逃离地球、切入霍曼转移轨道时加速，第二次是在切出霍曼转移轨道、追赶目标行星时加速。

以下图为例：将探测器从低轨道（1）送往较高轨道（3）时，探测器在原先轨道（1）上瞬间加速后，进入一个椭圆形的转移轨道（2）。探测器由此椭圆轨道的近拱点开始，抵达远拱点后再瞬间加速，进入另一个圆轨道（3），此即为目标轨道。

霍曼转移轨道的优点是：可以从低轨道向高轨道转移，也可以从高轨道向低轨道转移，对推进系统能力要求不高，推进剂消耗少，可以远距离连续访问多颗行星。但缺点是：飞行时间较长。不过，即便采取其他转移轨道方案也无法真正解决探测火星的距离和耗时问题，且存在探测器系统复杂造成的控制风险。总之。霍曼转移轨道综合考虑下来是总体最优的。目前，几乎所有的火星探测任务都使用了霍曼转移，或是在此基础上的改进方案。

“天问一号”到火星，一共需要多少步？

相比于月球探测，飞往火星的过程漫长而又艰难，“天问一号”要想成功完成既定任务目标需要经历发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等6个阶段。

第1阶段是发射段。从点火开始，长征五号火箭经过约2177秒的飞行，器箭分离，进入地火转移轨道。

第2阶段是地火转移段。太阳翼和定向天线相继展开，飞行约6.5个月抵达火星，其间进行深空机动和中途修正。

第3阶段是火星捕获段。通过减速控制，在火星引力的牵引下，成为火星的卫星。

第4阶段是火星停泊段。探测器将稳定飞行至预选着陆区的上方，着陆窗口期到来后开始降轨，环绕器与着陆巡视器分离。

第5阶段是离轨着陆段。着陆巡视器进入火星大气层，减速着陆火星表面，环绕器则从停泊轨道升轨返回到停泊轨道进行中继通信。

第6阶段是科学探测段。着陆后火星车驶离着陆平台开始巡视探测，环绕器则继续在轨道上进行科学探测和中继通信。

“绕、着、巡”三大任务一次实现

“天问一号”由一个环绕器和一个着陆巡视器组成，其中着陆巡视器又包括进入舱和火星车两部分。中国将通过一次发射实现火星“绕、着、巡”（火星环绕、着陆和巡视探测）三大任务，这在世界航天史上尚属首次。

环绕探测着眼于开展火星全球性、整体性和综合性的详查探测，建立火星总体性和全局性的科学认知。巡视探测专注于火星表面重点地区的高精度、高分辨的精细探测和就位分析。通过环绕器与巡视器的独立探测和天地协同探测，实现对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气电离层、磁场等的科学探测。

2020年7月27日，“天问一号”在飞离地球约120万公里处回望地球，利用光学导航敏感器对地球、月球成像，获取了地月合影。相信随着“天问一号”飞近火星开启科学任务，还将不断取得更多令人激动的科学发现。

参考资料：

[1] 中国首次火星探测任务探测器成功发射.国家航天局.[2020.07.23]

[2] 中科院院士详解“天问一号”：这次探测有六个科学目标.腾讯.[2020.07.23]

[3] “天问一号”火星探测器发射成功 中科院在火星探测任务中发挥重要作用.中科院院网中科院院机关网站.[2020.07.23]

[4] 深空探测新一步！我国首次火星探测任务探测器成功起航.国家航天局.[2020.07.24]

[5] 中国首次火星探测任务被命名为“天问一号”.中国航天科技集团有限公司.[2020.04.24]

[6] 中国首次火星探测任务探测器发射成功 迈出中国行星探测第一步.中国探月与深空探测网.[2020.07.23]

[7] 让火星环绕器“坐”得更放心 他们把自己比作“精算师”.腾讯.[2020.07.23]

[8] 中国探火，出发！长五火箭成功发射天问一号火星探测器.百家号-中国航天科技集团.[2020.07.24]

[9] 为了去火星，你知道天问一号要经历什么吗？.中国网.[2020.07.23]