天问|发射成功！关于天问一号的疑问和误区都在这里了火星大气|火星一

出品：科普中国
制作：haibaraemily
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2020年7月23日下午，我国首个自主的火星探测任务“天问一号”从海南文昌发射场，搭乘长征五号遥四火箭顺利发射升空，奔赴火星。

△长征五号遥四点火升空。拍摄：Tea-tia
这样的时候，想必关于天问一号的科普是全网铺天盖地目不暇接。考虑到这时候讲太细了反而不太能get到重点，所以这期的目标就尽量简单地让大家一文了解关于天问一号的整体情况吧。
01 天问一号包括哪些？“绕着巡”三件套
天问一号火星探测任务是个大家族，包括：环绕器、进入舱（着陆架）和火星车三件套。

△天问一号三件套。素材来源：CNSA
环绕器带着着陆巡视组合体抵达火星附近，进入舱带着火星车进入大气层，火星车在火星表面巡视探测。不过，环绕器对火星车的意义不止于“带一程” ，它还会持续为火星车提供通讯中继。

△一点土味示意图，尽力了
02 从地球到火星：最短最快抵达？想得美！
每26个月，地球上会有一小段时期特别适合发探测器去火星，事实上，人类六十年火星探测史上，绝大多数探测器都是在这样的“火星发射窗口”出发的。
最近的这个火星发射窗口就是今年（2020年）7-8月，不只是我国的天问一号， NASA的毅力号火星车（计划7月30日发射），阿联酋的希望号（已在7月20日发射）都选在这个窗口发射。
很多人直觉上会以为，这样的“时机”特殊之处在于能让探测器最快抵达火星，或者说用最短的时间、以最近的路程抵达火星。但恰恰相反，火星探测器优先选择的是一条更加漫长和遥远的旅途（也就是“地火转移轨道”）——因为对大多数不载人的探测器来说，路上多花点时间根本不是事儿，但燃料却是“无价之宝” ，在火箭运力一定的情况下，探测器需要消耗的燃料越少，就越能多带点其他有用的东西，比如带更多科学仪器，进而有更多科学产出。
一言以蔽之：又省燃料又路程短又快，不存在的。鱼与熊掌不可兼得。
有赖“胖五”的运力加持，发射后的天问一号可以一次性获得足够大的速度，能被直接送入地火转移轨道。
就是这样一个环绕太阳，能和火星轨道交会的椭圆轨道（图为标准霍曼转移轨道）▼

△探测器发射和抵达时地火相对位置。改编自：NASA
而如果火箭运力不足以让探测器达到足够高的速度（轨道）的话，探测器就需要先在地球绕上几圈（被送入地球停泊轨道），再通过自己消耗燃料点火一点一点加速（抬升轨道），最终地火转移轨道。你看，火箭给力的话，不仅能发更重的探测器，带更多东西，而且还能帮探测器省更多燃料。
地球停泊轨道中转的典型代表：印度曼加里安号▼

△印度曼加里安号轨道：先经过地球停泊轨道的抬升，再进入地火转移轨道。来源：ISRO
探测器在地火转移轨道飞行一段时间后就能与火星自然“相遇” ，途中无需一直消耗燃料，仅仅在择机进行几次点火修正轨道时消耗少量燃料即可。换言之，在火星发射窗口出发，从地火转移轨道飞向火星，这是掌握物理规律的地球人总结出的尽可能节省燃料的一条路线，代价则是需要花费很长的时间，飞很长的路途。

△探测器经地火转移轨道与火星“交会”的示意图，这样的发射时机每26个月出现一次。注意三点：1）发射时并不是地火距离最近的时候；2）并不是最省时间或者最短路程；3）这是探测器尽可能省燃料的路径。来源：NASA
不过，前面的图里其实只是地火转移轨道中最省燃料的一种情况——霍曼转移轨道。探测器与火星交汇时探测器刚好飞过半个椭圆，这时候探测器和火星的速度方向相切，入轨和轨道机动所需的燃料最少。霍曼转移轨道路上一般需要花费6-11个月。
【天问|发射成功！关于天问一号的疑问和误区都在这里了】那你说我愿意多花点燃料，想再快一点，路程短一点，可不可以？可以。如果探测器在初始阶段有更高的速度，进入一个更大的椭圆轨道，那么就可以提前与火星交会，这就是快速转移。如果将来我们有载人火星任务，那么燃料相比于人就没有那么重要了，我们会更倾向于更快抵达的方案。

天问|发射成功！关于天问一号的疑问和误区都在这里了

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