时隔202天，跨越近5亿公里，2021年2月10日晚，奔赴火星的“天问一号”探测器开始制动工作约15分钟后，成功进入近火点高度约400公里、周期约10个地球日、倾角约10°的环绕火星大椭圆轨道。
这标志着我国“天问一号”火星探测任务取得初步成功，可谓经受住了“奔火”大考的初步考验，也开启了迎接“环火”大考的新征程。今天，让我们一起追踪它的身影——
超高难度，实现“绕、着、巡”一揽子计划
火星，是人类最想了解的地球邻居之一。人类很早就开启了火星探测历程。1960年10月到1964年11月，苏联和美国连续6次探测失败。人类首颗抵达火星的探测器是美国研制的“水手四号”。
迄今为止，人类航天探索火星已达60余年，主要包括四大任务类型：飞掠、环绕、着陆和巡视。
飞掠：就如“惊鸿一瞥”，飞行器只能在火星远处飞掠而过，近距离接触火星的时间极其有限。这是人类航天技术尚不成熟时的无奈之举，仅在早期没有能力制动进入环火轨道时使用。如今，已经没有专门针对火星进行的飞掠任务了。
环绕：即环绕器通过制动减速进入环绕火星轨道。这能长期环绕火星进行观测，帮助人类了解火星的磁场、大气、重力场、地物地貌、浅层地表等综合情况。此外，它们还能为降落到火星表面的着陆器和巡视器提供信号中继服务，成为连接地球和火星的“宇宙灯塔”。
着陆：即直达火星表面，详细研究火星表面情况，尤其是底层大气情况、气象条件和浅层土壤构成等。这都是“登高望远”的环绕器所做不到的。然而，无法自由移动始终是探测器的一个“硬伤”。因为小范围研究着陆区域，能获得的科研成果太有限。
巡视：即由火星车来完成巡视任务。火星车携带多种复杂科学仪器，能在火星自由巡视。但它无法自主着陆火星，且受限于能量和天线尺寸问题。除非有额外的着陆系统和信号中继系统辅助，否则几乎不可能与地球直接通信。
考虑到不同任务的执行难度，一般情况下，研究人员都会选择分开执行环绕、着陆、巡视任务。即便这样，失败的尝试也不在少数。
据悉，此次“天问一号”可接续完成环绕、着陆、巡视3项任务，实现“绕、着、巡”的一揽子计划。
其困难程度不言而喻。且巡视器重达240千克，着陆器不仅服务着陆过程，还要有一定装载传感器和通信设备的空间。有关科研人员说，“天问一号”是人类探测火星工程技术复杂度最高的任务之一。
失之毫厘，谬以千里，整体入轨成最佳方案
执行第一大任务的环绕器，集中了整个探测器的推进系统、能源系统、通信系统、导航制导与控制等核心系统，是整个任务成败的关键。只有连续进行1次深空机动和4次轨道修正，才能确保“天问一号”始终飞行在理想轨迹上，最终和火星如期相遇。
与火星成功“相遇”，指的是冲进火星的引力影响范围。太阳占据了太阳系总质量的99%以上，是太阳系内的引力中心，它会把火星等行星的引力影响范围约束在一个定义为“希尔球”的空间内。
理论上，火星的“希尔球”半径约为100万公里，至少在内部1/3的位置，探测器才能长期稳定环绕轨道。当然，实际情况下，探测器需要达到更近的距离，它需要冲到距离火星表面仅有几百公里的位置开始制动。
进入火星引力影响范围只是开始。如果以火星为参照，“天问一号”相对速度会超过从火星表面永远逃离的逃逸速度（约5公里/秒）。如果不制动减速，“天问一号”只能完成对火星的“惊鸿一瞥”，随即在火星引力作用下改变轨道，飞入更远的太空。最终，被太阳引力重新拉回，成为一颗人造“小行星”，与火星和地球再无交集。
由此可见，最佳入轨方案的选择，是远征火星的重中之重。
从具体工程实践角度看，着陆器和巡视器的目标并非环绕火星，它们完全可以不跟随环绕器而直接降落火星。理论上，在近火星上空，“天问一号”的着陆器携带巡视器立即分离，环绕器可以单独进入环绕火星轨道，这样对环绕器要求将大幅降低。这也是苏联的“火星2号”“火星3号”，还有欧洲的火星快车和“小猎犬2号”、微量气体探测器和“斯基亚帕雷利”号曾经采取的方案。
但这种方案也存在很大的不足——容错空间极小。
我国对火星的认知还不多，对火星着陆区域尚无实地勘察，且没有稳定运行在火星上空的环绕器作信号中继服务。另一方面，火星大气稀薄、地形复杂，整个着陆过程仅有约7分钟时间。但目前，地球、火星间约1.9亿公里的双向通信有长达21分钟左右的时延。这意味着，整个分离着陆过程，探测器将完全失去地面测控支持。此方案就好比在“刀尖上起舞”，存在很大风险。上述提到的苏联及欧洲的几个任务中，除了“火星3号”着陆器成功着陆、工作了十几秒钟外，其余着陆器均以失败告终。
为将后续风险降至最小，“天问一号”采取了探测器整体进入环绕火星轨道的方案。这样，虽然会给环绕器带来不小的工作压力，但留给着陆器和巡视器自由选择着陆窗口的空间更大，完成后续任务将从容很多。
入轨待机：用最少的燃料，派最大的用场
“天问一号”成功进入的是一个超大环火椭圆轨道，抛弃了理论上最理想的环绕火星方式，这是为何呢？
所谓的“最理想的环绕火星方式”，其实就是保持近圆极地轨道。这样，能相对火星保持稳定距离，最大限度覆盖对火星的观测范围，获得理想的科研结果。
然而，火星引力约为地球引力的38%，探测器在它附近进行机动操作，会受到较大影响。直接制动切入环绕火星的圆轨道，对制动系统要求极高，往往需要消耗掉巨量的推进剂，甚至远远超过探测器和运载火箭的能力。
要知道，火星探测器的推进剂是无比宝贵的。对于“天问一号”而言，每一滴推进剂都是被长征五号火箭发射后，又独立深空飞行近7个月才送抵火星附近的成果。环绕器还需携带沉重的着陆器和巡视器整体制动减速，推进剂消耗量进一步增加。而且，按照后续任务规划，环绕器需要长期在火星上空工作，并定期进行轨道维持。最大限度节省推进剂、延长环绕器总工作时间，对于“天问一号”工程和科学产出有着重大意义。
因此，“天问一号”整体在近火点附近减速，首先进入近火点高度约400公里、周期约10个地球日、倾角约10o的环绕火星大椭圆轨道。据有关科研人员介绍，随后的2个月内，“天问一号”还会在远火点启动，推进系统调整轨道倾角和轨道形状，并在近火点多次工作，将远火点降低到数万公里高。
“近火点制动减速，远火点调整轨道倾角”，这样的轨道设计，是基于探测任务工程复杂度和推进系统能力的综合考量，能最大限度节约推进剂、确保环绕器的长久工作状态。
据悉，进入环绕火星大椭圆轨道的未来2～3个月内，“天问一号”上的环绕器会开启7个科研有效载荷，细致勘察待选火星着陆地点，与地面实时沟通相关信息，逐渐调整轨道到最佳着陆窗口。等窗口来临之时，着陆器和巡视器的结合体将立刻分离，冲进火星大气，正式开启“天问一号”任务周期内挑战最大、也最为高光的“着陆七分钟”时刻。
火星探索的征途，无疑是披荆斩棘之路，入轨只是一次“大考”。火星探测过程中，“天问一号”还要经历多重考验，让我们共同期待它后续的精彩表演吧！