火星探測為啥不走最近路線？天問一號面臨多少風險？

本文共有三個問題要探討，第一個問題，地球公轉周期是一年，有人覺得應該每年都有一次跟火星相遇的機會啊，為什麼每隔26個月才能發射一次火星探測器呢？第二個問題是，兩點間線段最短，明明走直線距離更近，火星探測器為什麼不走直線呢？第三個問題，中國今年發射的天問一號火星探測器有哪些看點呢？

先說第一個問題，如果火星不動，確實地球每轉一圈都可以遇到火星。但是，火星跟地球一樣也是圍繞太陽轉動的，而且是同向轉動。火星每過687天圍繞太陽轉動一圈，地球興致勃勃轉過一圈來，火星已經不在那了。其實這個時候，火星已經跑到了太陽的另一面，離地球不是最近而是接近最遠了。

然後地球還得用一年多的時間追趕火星。火星回到上次跟地球見面的位置時，地球還在趕來的路上，還得過43天左右，地球才能趕到。火星也不能在這等著地球啊，邊走邊等吧。地球好容易趕到了上次相遇的位置，但火星已經走了43天了。沒辦法接著追吧，好在地球跑小圈，火星跑大圈，地球總會追上火星的。但不是43天，而是兩個月左右，地球終於又跑到了火星和太陽之間，與火星近距離照了一面。這時，距離上次跟火星照面已經過去了26個月。

由於地球和火星公轉的周期是基本固定的，所以再下一次相遇又得26個月。地球人想發射探測器去火星，只能是每26個月有一次機會。從火星回來也一樣。需要說一下的是，太陽系除地球以外有七大行星，探測火星的窗口間隔是最長的。火星每780天左右出現一次發射窗口，金星是584天，木星是399天，土星是378天，水星116天，其他行星大概是一年零幾天。

再說第二個問題，火星探測器為什麼不走直線。火星距離地球最近的距離大概5500萬公裡，如果走直線，按5.8萬公裡每小時的速度，大概1個多月就可以到達火星了。但實際情況是，我們發射的探測器用這個速度需要7個多月的時間才能到達火星附近。為什麼呢？因為火星探測器走得不是直線，而是一條弧線，不是走得最近路線，而是相對最省油的路線。為了省油，火星探測器不僅不是在離火星最近的時候發射，反而是提前多半年在太陽另一側時就得發射，與火星交會時，探測器已經圍繞太陽轉了多半圈了。

為什麼不走直線呢?因為引力！簡單理解就像汽車爬山，越陡峭的山峰，爬起來越困難。我們都知道，汽車爬山都是走盤山路，一般不會把上山的路從山腳直線修到山頂的，除非山不高而且不太陡。如果真有直線上山的路，對汽車來說絕對是極限挑戰，汽車得不斷加油，才能保證不溜車，得費很大的勁才能爬上山頂，稍有不慎就會溜下來。為了安全、省油，汽車寧可走盤山公路，也不會走超大的斜坡。

同樣的道理，地球到火星，雖然直線距離最近，但由於地球和太陽的引力，這也是最不划算的一種方式。要想從地球直線開到火星，要麼就是把速度提高到非常快，遠超過第三宇宙速度，要麼就是在路上不斷加油調整方向才能保障走最近距離。這兩種方式，都是非常耗費燃料的，從經濟上來說並不划算。但事情也不是絕對的，如果未來的飛船不使用化學燃料，改用核動力或者雷射推進的話，也許發射軌道真會改變為接近直線運動。當然所謂直線運動也是相對的，因為地球的公轉必然給飛船帶來一個慣性，整個太陽系也是運動的，飛船的實際路線是非常複雜的。

回到現實中來，我們從地球上發射的太空飛行器，自身不可能攜帶太多燃料，因為攜帶太多燃料的代價太大。在火箭發射能力不變的情況下，增加燃料必然會擠壓探測器有效載荷的重量，從而減少探測器能完成的任務。對於按現有軌道正常發射的火星探測器來說，主要的燃料是用來靠近火星後減速用的，因為從地球到火星軌道的過程中，絕大多數時間是不需要消耗燃料的巡航，只需要少量燃料在趕奔火星的途中定期修正軌道就可以。當然，後期圍繞火星進行探測，還要留一些燃料定期修正軌道延長在軌壽命。如果需要降落火星，還需要留很多燃料完成降落過程。這些燃料都是經過精確計算的，多帶燃料是很奢侈的想法。但為了順利完成任務，一般也會稍微多帶一點，以防備意外。

此外，如果火箭推力不夠，還需要探測器動用自己的燃料來提高速度把自己推到地火轉移軌道。比如當年印度的火星探測器曼加裡安號，總重量1350公斤，其中燃料就有852公斤。由於火箭推力不夠，利用自己的燃料經過6次軌道提升才開始趕奔火星的。在接近火星軌道以後又使用了250公斤左右燃料進行減速，才被火星引力捕獲。由於前期燃料消耗過多，在完成減速被火星引力捕獲以後，已經沒有多少燃料調整軌道了。所以印度的火星探測器運行在一個非常奇怪的軌道上，那是一個特別扁的橢圓軌道，距火星最近的距離是365公裡，最遠距離80000公裡。如果燃料足夠，它應該會調整到距離火星比較近的圓形軌道進行探測。

中國的天問一號，不僅要完成環繞火星探測，還要完成火星表面降落。本身就需要攜帶大量的燃料，這些燃料必須精打細算，爭取用最少的燃料完成任務。不可能為了抄近道攜帶太多燃料，從而擠壓探測器有效載荷的質量。不僅中國的探測器不會這麼做，先進如美國，也不會為了抄近道而輕易更換軌道的。就算土豪探測火星，也需要精打細算的。

下面再說說天問一號發射的幾個看點。火星探測器的整個探測過程都是讓人捏一把汗的，畢竟這是中國第一次獨立探測火星，所有的重要環節都有風險存在。

第一個看點是發射階段。這是讓人很揪心的一個階段，最讓人擔心的就是長徵五號遙四火箭了。雖然長徵五號遙三火箭完美完成了發射任務，長徵五號乙也順利完成了發射任務。但長五遙四作為新火箭的試驗型號，能否完美完成任務，這是誰都不敢打包票的。畢竟長徵五號遙二任務經歷了嚴重的失利，今年又出現多次其他型號長徵火箭的故障。所以，長徵五號遙四承擔如此重要的任務，是讓人捏著一把汗的。長徵五號遙四要比剛發射過的長徵五號乙更難一些，因為它的第二級在長徵五號遙一火箭發射時出現過小故障。這種小故障對遙一火箭的載荷來說影響比較小，但類似的故障對於火星探測器來說卻是一場災難。因為一旦火箭推力不足，天問一號不得不像印度火星探測器一樣消耗自身燃料來提升軌道，能否順利完成任務都會打上問號。希望長徵五號遙四火箭能夠帶來一次完美的發射。

第二個看點是地火轉移，從地球軌道轉移到火星軌道，需要用7個多月的時間，地球的遙測系統得不間斷地對探測器進行跟蹤。在這期間需要有幾次軌道修正的操作，以免探測器偏離軌道錯過火星。這中間萬一發生極端事件某塊小石頭撞上了探測器，宇宙射線爆損壞了飛船的電子系統，甚至飛船自己的動力系統出現故障，任務都有可能會失敗。雖然這些意外出現的可能性很小，但也不是完全不可能。我們希望這中間不會出現任何意外。

第三個看點，是遇見火星後減速。探測器的速度太快，地球的引力都抓不住它，火星想抓住它更難了。必須把速度降下來，降到火星引力可以把它抓住的速度。這對發動機點火的時機和速度控制的要求都非常高，一旦出錯有可能跑丟或者直接撞到火星上。前面美蘇火星探測相當一部分發射失利，問題都出現在這個環節。一旦被火星引力抓住，就變成火星的衛星了。然後進一步調整軌道，把軌道從類似印度探測器的橢圓軌道變成接近圓形的近火星軌道進行探測。在完成這個階段後，甚至在這個過程中，探測器可能會拍攝一些火星的照片，或者還包括一些地球的照片。我們就可以很直觀地感受到探測器還很健康。

第四個看點，是著陸器分離，實施著陸過程。著陸器與環繞器分離以後，進行減速降低軌道，然後進入火星大氣並降落到火星表面。雖然降落只需要七分鐘左右的時間，但這是整個火星探測任務中最難的一個過程。歐空局的著陸器就在這個階段失敗了，蘇聯和美國也在這個環節出過問題。

中國第一次探測火星就實施這麼複雜的動作，著實令人捏著一把汗。這個降落過程比月球表面降落要困難很多，一方面，距離地球更遠，遙測指揮更困難。另一方面，火星引力更大，表面又有一定厚度的大氣，還可能有風的影響，比月球著陸更複雜。這次著陸，在進入火星大氣後先利用自己的外形跟空氣摩擦進行初步減速，然後利用降落傘進行減速，接著再利用發動機噴火減速，然後懸停尋找著陸地點，最後再緩慢降落。

整個過程，地球上的工作人員無法幹涉，完全靠探測器自身的電腦程式進行安排實施，中間任何環節出問題，都有可能直接失敗。著陸後，等灰塵散去，打開太陽能電池板和天線，發射信號回地球，地球捕捉到信號後，才能確定著陸任務成功了。

第五個看點，是釋放巡視器，也就是火星車。只要上一個環節順利完成，這個過程應該難度不大。畢竟中國在月球探測任務中已經完美完成了兩次巡視器釋放了，沒有出過任何問題。釋放完以後應該會拍攝一些照片傳回地球，其中必然要拍攝探測器上的國旗，這是非常有象徵意義的一刻。說句題外話，跟天問一號一起降落火星的美國火星探測器也有一個大看點，他們送過去一個火星直升機，一旦成功起飛也是開創了人類歷史的。

第六個看點，是開始探測，完成科學任務。火星車能否經受火星環境，順利完成預期任務，並超額完成任務，也是大家關注的焦點。畢竟中國第一個月球車玉兔一號就是因為對月球環境估測不足，造成了機械故障無法完成遠距離的巡視任務。一旦躲過了生存關，下面就是驚喜不斷的過程了。到了一個新的地方，每走一步都是新聞。就像在月球背面一樣，火星車將源源不斷地給我們帶來火星上的故事。

好了，今天的介紹就這麼多，讓我們持續關注中國的火星探測任務吧。未來的幾年裡，我們會有很多相關話題可以聊！