北京时间7月23日12点41分，海南文昌大地颤抖，长征五号遥四火箭托举起中国人的深空梦，将“天问”一号送入太空，启程奔赴遥远的火星。
图源：中国航天科技集团 王磊、崔岳豪 摄
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施韡 摄
张瑶 摄
张瑶 摄
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会合周期到了，“高速公路”才开启**
相比以往，今年去往火星的这条“高速公路”上，首次出现了*拥挤。
从7月20日至7月30日，短短10天里，阿联酋的“希望”号、中国的“天问”一号、*的“毅力”号分别发射。为什么大家要“挤破头皮”，抢在这几天发射呢？
这是因为去火星的公路不是每天开放的，而是平均隔26.3个月才开放一次，每次开放1个月左右。这在航天领域被称作发射窗口，在天文学上叫做会合周期。
今年的发射窗口期，大致在7月中旬到8月中旬，越早越好，而一旦错过这个窗口，代价非常昂贵，项目成本可能增加数千万美元。如今年原计划还有欧盟与俄罗斯的合作项目，但由于技术故障和疫情影响，他们不得不推迟到下一个火星窗口。
哪一条是去火星的最优道路？
地球和火星分别位于两条椭圆轨道，于是两者距离差异会非常大，最近时大约5460万公里，最远则大约4.01亿公里，所以大家都希望能在他俩离得比较近的时候向火星发射探测器，毕竟路程短就可以少用“油”嘛。
但是，不管是火星还是地球，肯定比飞船跑得快，所以我们不能坐等两者到达最近位置，而必须“笨鸟先飞”，选择一个合适的机会，提前发射探测器，等待与火星邂逅。
德国物理学家瓦尔特·霍曼提出，若航天器能沿着一条与地球轨道外切并与火星轨道内切的大椭圆轨道运行，那么期间只需两次点火就能到达火星。这相当于开车只要踩两脚油门，中间段几乎全程使用惯性滑行即可，于是可以省下许多燃料，这是一条最省钱的路径！
这条轨道就被称为“霍曼转移轨道”。
当然省油的代价通常是要多花点时间，走这条高速公里全程3亿多公里，耗时约7个月。“胖五”的任务就是把我们的“天问”一号准确地送上高速公路的指定车道。
或许有人要问了，既然这些探测器都挤在这个窗口发射，那么它们会不会相撞啊？
这倒不必担心，首先太空非常空旷，如果说地球是一个直径为12厘米实心球的话，火星差不多是550米外的一颗网球，在这中间即便是一张A4纸那么厚的距离放大到实际尺寸也相当于10公里宽。
其次，离开地球后的探测器速度至少达到每秒10公里，晚一天发射就意味着相距近90万公里。当然，更重要的是，每个探测器都在自己的特定轨道上。也就是说，即便走的是同一条高速公路，大家也都是各行其道，不会相撞的。
好了，来看看天问一号究竟是如何一步步去到火星的？
》》“天问”一号任务轨道
①巡航：由长征五号运载火箭将“天问”一号探测器送入转移轨道，随后根据具体情况于2020年10月5日前后进行一次深空机动，修正航行轨道。
②捕获：预计2021年2月11日前后到达火星附近，3000N发动机持续点火制动约14分钟，让“天问”一号进入400km×180000km、轨道倾角11.8°、周期为10天的椭圆轨道。
③停泊：预计2021年2月21日前后从捕获轨道上再次进行制动，将轨道变为近火点高度265公里、远火点高度约14200公里、轨道倾角86.9°、周期为2天的椭圆轨道。在此停泊2~3月，完成着陆前准备。
④着陆（火星着陆段）：在进入大气前约5小时，从停泊轨道开始下降，环绕器与着陆器（进入舱）分离，着陆器进入火星大气。
⑤探测：巡视器（火星车）与环绕器和地球建立通讯，在火星表面开展巡视探测。轨道器在近火点高度265公里、周期8.2小时的轨道承担中继通信任务，后续在近火点高度265公里、周期7.8小时的轨道上对火星进行全球探测。
降落前的恐怖七分钟
其实，在驶向火星的这条路上，如何准确地进入环火星轨道才是最难也最重要的部分。
我们来复习一下“宇宙速度”：地球的环绕速度为7.9km/s，地球的逃逸速度为11.2km/s，火星的环绕速度3.6km/s，火星的逃逸速度5.03km/s。也就是说火星探测器的速度必须达到11.2km./s左右才足以离开地球引力范围，但要想环绕火星运行，则需要把速度降到3.6km/s左右才行，降幅非常大。
然而，届时地球与火星相距约2亿公里，无线电信号单程需要花费10分钟，我们根本无法在地球上进行遥控。这就要求探测器有颗聪明的大脑，自行判断当前的方位、距离、速度，需要调整到什么样的姿态、几时开始刹车、持续刹多久等等一系列的问题。
要知道历史上不少火星探测器都栽在这个环节上。
当我们的“天问”一号下了“高速公路”想要在火星上实现软着陆，则还需经过另一项，也是最严峻的考验——再入火星大气。
俗话说“别拿豆包不当干粮”，火星大气再稀薄，也将成为着陆器前进道路上的一道坎。高速下落过程会在着陆器周围形成电离层，屏蔽无线电信号，此时在地球上的我们，会与着陆器短暂失联。
冲出“黑障”后，着陆器必须立刻判断自己的形态和高度，打开减速伞、查看地形、避开障碍、选择着陆点，这一系列的事情发生在大约7分钟内。同样，我们也不可能去遥控它，整个过程必须放手由计算机自主完成，这就是所谓的“恐怖7分钟”。
“天问”一号已经成功升空，根据计划，它可能会在10月5日左右进行一次途中轨道修正，经过大约7个月的飞行，在明年2月11日左右与火星交会，进入环火星轨道。运行2~3个月后，再择机降落。当然降落后一口气完成“绕、落、巡”三大任务也是其他国家从未完成过的艰难目标。
相信火箭的发射成功，是一件让每个中国人都感到振奋的事情，让我们一起祝福天问一号火星探测计划能够圆满成功~
关于“天问”一号带着哪些任务，身上带着哪些装备，请继续关注上海科技馆、上海自然博物馆公众号和微信订阅号天文茶餐厅。