我国首次火星探测任务“天问一号”探测器在经历了近7个月的深空旅行后，即将抵达目的地。预计除夕前后，“天问一号”将进行近火制动（俗称“刹车”），开启环绕火星之旅。
投入火星“怀抱”的那一瞬间可以说是“步步惊心”——一旦在此刻与火星擦肩而过，就再也没有机会触摸这颗红色星球了。而在精准捕获的背后，凝聚了科学家和工程师们的精确计算与无数心血。事实上，从发射起飞的那一刻，“天问一号”就已经在为“环火”做准备了。
探测火星
出发需要卡准窗口
太阳居于太阳系的中心，由内向外，地球排第3位，火星紧随其后。地球环绕太阳一周需要约365天，火星则需要约687天。这种“不同步”导致地球和火星之间距离时刻在变化，从5500万千米到4亿千米不等。
从地球视角来看，火星与地球每隔780天（两年两个月）左右才“会合”一次：在780天内，地球绕太阳运行2周49度角时，恰好超过火星1周，二者相距最近（即火星冲日）。若以照操场跑步打比方的话，相当于780天后，跑在内道的地球恰好“套”了外道的火星一圈。
人类航天虽然经历了数十年发展，但运载火箭依然以利用化学能为主，远达不到科幻电影中无视星际旅行距离 “横冲直撞”的设定。故而，火星探测器的发射时间要求很苛刻，必须在每次地球与火星 “会合”之前几个月、火星相对于太阳的位置领先于地球特定角度的时候出发，瞄准6至11个月之后火星的位置，开启火星探测之旅，这样对火箭运载能力要求最低。
▲“天问一号”探测器发射升空。新华社发
由于每次地球与火星“会合”的机会带来的理想探测窗口仅在一个月左右，探测任务如果赶不上出发，就要等待26个月后的下一次机会。这对于存在设计寿命且有着巨大保管维护成本的探测器而言，代价可能极大，甚至需要重造。
因此，及时抓住发射窗口，就等于提前“预订”了几个月后的火星引力捕获机会。2020年7月23日12时41分，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器搭乘长征五号遥四火箭，从文昌航天发射场升空，正式开始了火星之旅。
飞行途中
精准修正轨道瞄准火星
在实际飞行时，“天问一号”采取一种基于“霍曼转移”优化的从地球到火星轨道，它基本上就是一个和地球轨道、火星轨道相切的半椭圆。
▲火星探测霍曼转移轨道示意图。
理论上，这种方式仅需推进系统在离开地球和火星时两次加速，最为简单和节省能量。然而，在抵达火星轨道时，如果航天器没能及时冲进火星引力主导的范围内，就会被太阳巨大的引力重新吸引回来，永远失去探测火星的宝贵机会。
既然人类无法影响火星，为了保证航天器及时被火星捕获，就必须精准调整其状态。因此，在最初规划飞行轨迹时，就要精准计算出航天器与火星相遇的时机。
然而，这一切并不容易。一方面，火箭推力强劲，每级都有数台发动机同时工作，尤其是最后一级发动机要经历多次滑行和点火，每一个步骤都可能带来微小偏差，这些偏差累积起来，会使航天器很难达到最理想的入轨精度。另一方面，太阳系内天体众多，“天问一号”受到的各种作用力极为复杂。由于太阳活动强度和空间天气多变，它几乎不可能完全按照预定轨道飞行，必须进行轨道修正和深空机动，才能让“天问一号”与火星按时相遇。
如果把“天问一号”飞往火星比做驾车行驶，或许更容易理解。“天问一号”有一条规划好的线路，这叫预定轨道。但实际情况下，它一定会跑偏一些，所以需要偶尔微调方向盘，让它保持在车道中间，这就是轨道修正，又叫“小修”。同时，这条车道也不是完美的直线，当需要拐弯时，航天器就得更大程度打方向盘，这就是深空机动，也叫“大机动”。
由于长征五号火箭本次入轨精度极高，“天问一号”推进系统表现也非常精准，在飞行过程中，仅进行了一次深空机动和四次轨道修正，比预期的次数要少。2020年10月1日，“天问一号”通过分离测量传感器在深空中自拍，检验自身状态全部工作正常。那天正好是国庆节与中秋节难得一见的同期相遇，这张中国历史上最远最强的超级自拍，为祖国人民送上了最好的祝福：鲜艳的五星红旗在太空深处熠熠生辉。
切入轨道
投入火星引力怀抱
投入火星怀抱，意味着冲进火星的引力影响范围，正如出发时需要逃离地球影响范围一样。
宇宙中任何一个天体都是引力源。理论上，一个天体的引力影响范围是无限的。但在实际情况中，两个天体总会互相影响，导致各自拥有一定的引力主导范围。太阳占据了太阳系总质量的99%以上，是太阳系内绝对的引力主导。它会压缩地球等行星的引力主导范围到一个定义为“希尔球”的空间内。例如，地球的希尔球半径约为150万千米，仅相当于地球到太阳平均距离的1%左右。
火星的质量很小，仅相当于地球的10.7%，表面的引力加速度仅为地球的37.9%。所以，它的希尔球被太阳“压缩”得更小，半径仅为约100万千米——理论上，“天问一号”至少需要冲进这个范围，才能被火星捕获。但实际上，它需要至少达到希尔球内部约三分之一位置，才有可能维持相对稳定的轨道。例如，月球就稳定运转在距离地球38万千米的轨道上。所以，“天问一号”投入火星怀抱，实际上对于轨道控制的精度要求会高很多。
▲国家航天局公布的“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像。新华社发
而且，火星围绕太阳轨道是一个偏心率为0.1的椭圆，它与地球的最近距离也是时远时近。它的轨道面与黄道平面（地球围绕太阳运动的轨道面）也存在1.8度的夹角，这使得地球到火星之间的飞行轨道设计更加复杂——最终要冲进这么一个狭小的引力影响范围，谈何容易！
因此，“天问一号”的火星探测之旅大概相当于：让一个人在滑翔机上（运动速度较快的地球）扔（发射）一粒小石子（“天问一号”），在提前很远的位置（发射窗口），中间有风和空气的影响（恒星和行星等各种引力源），经过精准控制（深空机动和轨道修正），准确穿过地面上一辆左右前后运动中（围绕太阳运动轨道倾角不同，火星轨道有较大偏心率）的小汽车（运动速度较慢的火星）天窗（引力影响范围希尔球）后，再掉到司机的水杯里（环绕火星轨道），难度可想而知。
制动减速
刀尖上起舞的航天技术
进入火星引力影响范围并不是终点。虽然这里已经是火星的世界，但如果以火星为参照，“天问一号”的原本速度加上火星引力加速效果，会使得两者的相对速度变得很大，甚至超过火星逃逸速度（能从火星表面永远逃离火星引力的速度，约5千米/秒）。这意味着在不采取任何措施的情况下，“天问一号”会在火星附近完成 “惊鸿一瞥”后，随即在自身速度和火星引力作用下，飞向更远的深空。
在人类探测火星的初期，“水手四号”等探测器的飞掠任务就是这种模式：任务周期长达数年，但仅有极短（1天左右）一次临近火星的机会。这是当时航天器无法有效制动减速的无奈之举。因此，飞入火星引力主导范围、达到目标位置后，“天问一号”需要立即制动减速。
在具体操作过程中，通信延时是个很重要的影响因素。在地球附近，航天器与飞控中心双向通信延时以毫秒计，即便到了月球也仅为2秒。而在火星附近，双向通信延时最短为6分钟，最长可达45分钟，还会存在地球和火星自转造成遮挡、太阳活动和空间天气剧变等因素干扰。这意味着，地球上的飞控中心不可能实时控制 “天问一号”完成制动操作，从而需要它在提前装载程序后自主完成这 “刀尖上起舞”的减速过程。
国家航天局发布我国首次火星探测任务“天问一号”探测器飞行图像。新华社发
制动减速需要消耗推进剂，而“天问一号”的任何一滴推进剂都是无比宝贵的，是重达870吨的长征五号火箭拼尽全力发射、经历了近7个月深空飞行才送抵火星的成果。而且，按照后续的任务规划，“天问一号”的环绕器部分需要长期在火星上空工作，这也需要定期进行轨道维持。如果能最大限度节省推进剂，则意味着能最大限度延长轨道器的总工作时间，这对“天问一号”的工程和科学产出有重大意义。因此，“天问一号”会通过进入环绕火星大椭圆轨道的方式最大限度节省推进剂。
环绕火星
静待最佳着陆时机
人类探测火星60年来，共有四种任务类型：惊鸿一瞥的“飞掠”，登高望远的“环绕”，观天测地的“降落”，自由移动的“巡视”。
其中，“飞掠”仅在早期技术不成熟或其他任务兼而探测火星时使用，另外三种是近年来的主要任务类型。而“天问一号”则将挑战近年来人类探测火星任务的“复杂度之最”——同时完成“环绕” “降落”和“巡视”三大工程目标。
环绕器（轨道器）能长期环绕火星，采集海量数据，全方位研究火星磁场、大气、重力场、水、浅层土壤、地质地貌等，还能起到信号中继作用，服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器。着陆器能仔细研究火星表面的各种细节，但由于着陆机构重量和自身能量限制，无法移动和自由巡视。巡视器则可以随处移动，意义不言而喻，它能携带更多科研载荷，从事多地点多方面的精细研究。
被火星捕获之后约3个月的“环火”之旅，将是“天问一号”的环绕器最为忙碌的时间。它需要逐渐开启自身的7个有效载荷，认真研究火星表面的情况，反复确认着陆地点和最优着陆窗口。一旦确认后，环绕器继续在轨工作，着陆器将从环绕器分离，携带巡视器开启最为艰难的火星着陆之旅。在此新年到来之际，让我们共同期盼 “天问一号”任务最辉煌时刻的成功到来。