前路漫漫，心心念念，希望我們的小夥計順利抵達。
天問一號著陸器（概念圖）|中國航天
作者 | 林文杰
責編 | 高佩雯
天問一號在7月23日發射升空之後，全民歡欣鼓舞。不過，此去火星還有4億多公裡。據預計，天問一號還要再飛將近7個月，明年才能到達火星。
在這期間，它將與阿聯的「希望號」火星探測器，以及NASA的「毅力號」火星車展開長跑。三者先後分別於7月20日、23日、30日發射。
我們來看看，它們將登上怎樣的「跑道」。
01.
進入飛向火星的高速公路
目前，依賴長徵五號運載火箭的強大推力，天問一號已經直接進入地球至火星的轉移軌道。這條軌道被稱為霍曼轉移軌道，是太空飛行器進行行星探索時從一顆行星去到另一顆行星消耗能量最少的軌道。相當於太空中的高速公路。
霍曼轉移軌道（紅線）。這是一條繞太陽公轉的橢圓軌道，與地球、火星的公轉軌道相切。|來自網絡
天問一號飛出後，要向7個月後火星所在的軌道位置前進，以便被火星的引力所捕獲。在轉移軌道上，它主要受太陽的引力做軌道運動。
天問一號要前往火星，就需要將速度達到第二宇宙速度，才能擺脫地球引力，進入轉移軌道。如果速度達不到，就得像印度前些年發射的曼加裡安火星探測器一樣，在地球軌道上繼續繞圈圈，以達到更大速度。據悉，當時曼加裡安火星探測器在地球軌道上進行了4次變軌，才達成目標。
天問一號有長徵五號助力，則不存在這樣的問題，一經發射就直接進入了轉移軌道，大大縮短了任務時間。——希望號和毅力號同樣使用大推力火箭，直接進入轉移軌道。
7月27日，天問一號在飛離地球120萬公裡處拍下地月合影，二者一大一小均呈新月狀，在茫茫宇宙中相互守望。|中國航天
02.
進入火星懷抱
在天問一號發射時，火星此刻已經運行到地球附近，兩者的公轉軌道處於較近的位置。隨著地球、火星繼續繞太陽公轉，天問一號需要向火星7個月之後的位置前進，以便兩者能夠相遇。
第一個決定性的時間將在2021年2月到來。天問一號抵達距離火星十多萬公裡的軌道上，此時天問一號將正式成為火星的一顆人造衛星。一旦天問一號抵達火星的引力控制範圍之內，就需要啟動推力為3000牛的發動機，開始10多分鐘的制動，因為這時候天問一號的速度非常快，如果不減速，一不小心就可能跑過了，無法被火星引力捕獲。
第一次制動之後，天問一號就正式進入了火星的「勢力範圍」。這是一條遠火點18萬公裡，近火點400公裡的橢圓軌道。天問一號會在這條軌道上運行一段時間，一周之後，再次制動，進入1.4萬公裡乘以265公裡的橢圓軌道。
這時候，它已經可以很靠近火星了。
天問一號靠近火星。此時為軌道器、著陸器、火星車（巡視器）三器一體。|中國航天
03.
和火星近距離接觸
經過減速制動之後，天問一號將釋放著陸器，此時著陸器的速度可達到每小時2萬公裡，在接下來十多分鐘內要將徑向速度降低到零，實現在火星上軟著陸。軌道器則再次進行機動，進入265公裡圓軌道，開始從太空中對火星進行觀測。
完成這個幾個步驟之後，天問一號空間段任務才算完成，軌道器展開觀測，著陸器降落到火星表面，從發射到此刻耗時在7個月以上。
阿聯和美宇航局的火星探測器前往火星也是走這樣的路線，通過霍曼轉移軌道進入火星，抵達火星時進行制動減速，讓探測器被火星引力所捕獲。
04.
在火星上玩耍
著陸器抵達火星表面之後，就進入地面巡視階段了，著陸器會釋放火星車，對火星表面進行實地勘測。動用的設備主要是火星車上搭載的儀器，比如可感知火星表面下方100米的探地雷達、表面磁場探測儀、氣象測量儀等。
火星車上一共搭載了6臺儀器，軌道器上搭載了7臺儀器，一共13臺。著陸器的功能只有軟著陸使用，在火星車安全降落火星之後就不再發揮作用。
火星車有6個車輪，可從著陸器上行駛下來，接下來就是開展火星表面探索了，任務截止時間就要根據實際情況而定。
美國宇航局機遇號在火星上行駛了15年，原定的任務期只有3個月。天問一號火星車的原定任務期也只要數個月，具體情況需要根據火星表面情況而定，正常情況下行駛個數年應該沒有問題。
天問一號火星車預備從著陸器上滑下。|中國航天
05.
防備各路「妖怪」
在火星上玩耍，並不總是那麼容易。如果遇到火星上的凹陷地帶就可能陷入其中，導致無法動彈。勇氣號火星車就遇到這個問題，導致其被迫轉入靜止觀測平臺，最終任務提前結束。
對天問一號火星車而言，每走一步都需要非常小心，通過全景相機對火星表面進行觀測，制定合適的行駛路線。這方面我們也有經驗，在玉兔2號月球車執行任務過程中也是如此，一邊制定路線，一邊進行探索，隨時調整方向，確保月球車不會陷入沙地的小坑中。
除了地形上的因素外，天問一號火星車還需要應對火星上的自然條件，比如火星表面的巖石會損壞車輪，好奇號的車輪就破了個洞，這也是正常在火星表面行駛時的損耗，這會影響到火星車後續任務的進行。
火星上另一個問題是沙塵暴，爆發沙塵暴的時候漫天都被塵埃遮擋，天問一號火星車的太陽能電池板也會因為塵埃遮擋導致功率下降。如果塵埃不及時被風吹走，或者沙塵暴持續時間太長，耗盡了蓄電池的電量，就會導致天問一號火星車因為缺乏保溫使得儀器損壞。火星夜晚的溫度可達到零下100多攝氏度，需要蓄電池對儀器進行保溫，否則會發生損壞。
2018年，機遇號遭遇特大沙塵暴，至今失聯。下圖為火星車上厚厚的塵埃。|NASA
總之，前路漫漫，我們的小夥計正在勇闖天涯，希望它順利抵達。
文章由「十點科學」（ID：Science_10）公眾號發布，轉載請註明出處。
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