遂古之初，谁传道之？
上下未形，何由考之？
冥昭瞢闇，谁能极之？
天问一号的成功发射，标志着中国人也正式踏上行星探测的征程。
我们来回顾一下这几个令人激动是时间点：
2020年7月23日，海南文昌航天发射场，长征五号遥四运载火箭搭载着天问一号火星探测器发射升空。
2021年2月，探测器执行近火制动，被火星引力捕获。
2021年5月15日，实施降轨，着陆器成功软着陆于火星北半球乌托邦平原。
天文一号奔火这一路，可谓道阻且长；探测器又如何过关斩将，在火星上第一次留下中国印记？跟随笔者，我们用游戏模拟的方式一起来重走一遍奔火之路。
Q1：发射时间的选择
在“天问一号”发射前后一周的时间内，阿联酋“希望”号、美国“毅力”号相继升空。为什么大家都把发射的时间选在了2020年7月下旬这段时间？难道仅仅因为巧合吗？
不然。实际上，这一段时间是火星任务窗口。火星和地球都围绕着太阳转动，周期不同，平均每26个月有一次距离最近的时候。这个时候发射飞船，地火距离最近，从地球到火星所消耗的能量最少。
时机成熟，我们的火箭即将发射！
发射窗口时的地火位置。蓝色球为地球，红色球为火星
火箭发射
火箭发射
火箭发射
Q2：冲出地球引力场
我们在高中物理课程中了解到，万有引力满足如下公式：
万有引力计算公式
为了冲出地球引力场，我们需要将卫星加至足够高的速度，用足够高的动能抵消地球的引力势能。经过计算，这一速度约为11.2km/s。
为了达到这一速度，我们的火箭必须携带足够的燃料，同时发动机也需要足够大的推力。因此，长征五号遥四运载火箭被用来执行此次任务。这一型号火箭具有高达869吨的起飞重量，足以将重约5吨的探测器送入地火转移轨道。
高度逐渐爬升，蓝线为轨道
高度逐渐爬升，蓝线为轨道
冲出地球引力场进入太阳轨道。黄线为探测器即将进入的太阳轨道
Q3：飞往火星的轨道选择
地球与火星的最近距离也有5570万公里。探测器要飞跃这么远的距离，同时及要保证燃料足够使用，轨道的选择至关重要。目前，航天器星际转移通常采用霍曼转移轨道。
霍曼转移轨道（图源:百度百科）
霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit）最早由德国物理学家瓦尔特·霍曼于1925年提出，是一种变换航天器轨道的方法。运用该方法航天器在星际转移途中只需两次引擎推进，相对地节省燃料。截至目前，人类所发射的所有火星探测器（如“火星快车”号、“好奇”号、“祝融”号等）、金星探测器（如金星5号、“麦哲伦”号等）均采用这一轨道实现星际转移。
简单来讲，航天器在低轨先进行一次加速，然后进入椭圆形转移轨道，到达高轨再次进行加速。根据地球的公转半径、周期以及地火转移轨道的半长轴，再结合开普勒第三定律，就能够计算出探测器从地球轨道飞到火星轨道的时间了。
经过计算，这一椭圆形轨道的周期是520天，从地球轨道飞到火星轨道只需要经过半个椭圆，所以需要大约260天的时间。在这260天中，探测器和太阳的连线会转过180度角，火星和太阳的连线会转过136度角，所以，在发射时，地球和火星的夹角必须是180-136=44度。这就是发射窗口期的含义。错过了这个窗口期，就需要再等2年多，才能迎来下一个发射窗口了。
紫线为规划的地火霍曼转移轨道
探测器加速后，黄线为实际轨道，绿线为地球与探测器通信链路
Q4：深空机动
地火距离过于遥远，而火星引力范围相对这一距离非常之小，因此，在飞行过程中对轨道进行微调，是保证航天器能精确进入火星轨道的关键。天文一号携带有超过20台发动机用于调整轨道。
上方黄线为机动钱轨道，下方紫线为机动后轨道
机动后的实际轨道。轨道近拱点与火星距离明显缩短
Q5：近火制动
虽然探测器已经抵达火星，但由于霍曼转移轨道本质上为太阳轨道，探测器运行速度远远大于在火星轨道运行所需，如果不进行减速，探测器将飞离火星。
探测器抵近火星
调整姿态，准备近火制动
近火制动中。此时探测器已进入环火星轨道
进入环火星预定轨道
进入环火星预定轨道
经过重重险阻，我们的探测器终于进入了火星轨道，对火星的探测也随即展开。而“祝融”号火星车又是如何抵达火星地面的？这一过程中的“黑色九分钟”期间它有到底经历了什么？且听笔者下回分解。
