在全國人民歡度春節的日子里，中國航天人又做了一件世界矚目的大事：我國首個火星探測器天問一號成功制動捕獲，進入環月軌道。再過三個月，紅色的火星將迎來首位“中國訪客”。
火星上是否存在生命，火星上“哭泣的臉”是否是外星文明留給人類的警示……我國首顆自主火星探測器天問一號，將在人類史上第一次通過一次發射任務完成“繞、落、巡”火星探測，通過我們自己的探測器逐步揭開火星的神秘面紗。
要想揭開面紗，首先要達到火星。那么，這次天問一號的火星之旅有哪些看點，記者帶你一起細數。
看點一：不是一次“說走就走”的旅行
去火星旅行，可不像我們外出旅游那么隨意，可以說走就走。
那是因為，來場說走就走的火星之旅，難度實在有點大，目前人類的科技還做不到。要想去火星，動輒需要高達70公里/秒的逃逸速度，而目前人類的運載火箭所能提供的最大逃逸速度僅為15公里/秒左右。為了盡量節省能量，我們通常選擇“霍曼轉移”的方式來實現地火轉移，霍曼轉移所用的軌道是一近地點在較低高度、遠地點在較高高度的橢圓軌道，而這需要等待地球與火星公轉到特定的相對位置時發射火星探測器。
霍曼轉移軌道
地球的公轉周期約365.26天，火星的公轉周期約687.99天，因此地火的交會周期為約778天，即約26個月。也就是說，地球與火星每隔26個月才會再次出現一次可通過霍曼轉移實現軌道交會的機會，被稱之為“發射窗口”，每次的窗口約持續20天。
一旦錯過當年的窗口，那就只能等下一個兩年后了。比如歐俄聯合的ExoMars火星探測器就因為降落傘的問題一直不能解決，只能遺憾地錯過2020年7月下旬的窗口，計劃推遲到2022年9月。2020年計劃中的火星探測任務除了我國以外，還有美國的毅力號火星車、阿聯酋的希望號火星環繞器。
根據2020年的發射窗口，中國航天科技集團上海航天技術研究院研制團隊完成了地火至火星的轉移軌跡設計，為天問一號探測器量身定做一條通往火星的星際高速公路。正是這條高速公路的完美成型，讓我國于2020年7月23日如期在海南文昌航天發射場用長征五號將天問一號送入太空。
看點二：“豬排”地火轉移軌跡設計
說到地-火轉移軌跡設計，就不能不說到“Pork-Chop”了，即“豬排”。
當然，這肯定不是因為軌道設計師們的飲食口味，而是設計師們在進行行星際探測軌道設計時，會針對不同發射日期與到達日期，繪制所需要發射能量的等高線圖，這張等高線圖酷似兩塊豬排，“Pork-Chop”由此在業內叫開。
為了盡可能讓火星探測器多帶點儀器設備，對火星一次看個夠，軌道設計師們需要找到一條最省能量的地火轉移軌跡。為此，設計師們首先要將復雜的地火轉移軌道設計簡化為一個“地球+火星”的二體引力模型，通過求解二體模型中經典的蘭伯特問題，得到窗口中每一對發射與到達日期所需要的能量，從而可以繪制出發射能量等高線“豬排”。
地火轉移軌道
在“豬排”圖上選定的日期作為初值，可以采用微分修正等數學方法，在一定精度的火星探測軌道動力學模型中經過迭代計算，便可以得到用于飛行任務使用的地-火轉移軌道設計結果了。
看點三：必須一次成功的“太空剎車”
2020年7月23日天問一號升空后，以近10萬千米/小時（約30千米/秒）的速度沿著地-火高速公路向前飛行。然而，即便以如此高的速度，探測器也要經過約7個月的長途奔波才能到達火星，這時探測器需要完成關鍵的捕獲制動控制。
回顧剛剛完成天問一號制動捕獲，火星環繞器當時啟動了其配備的發動機進行推力減速，將速度降低至能夠被火星引力捕獲，最終成為一顆環繞火星的衛星。如果速度太快，探測器當時就會飛越火星繼續圍繞太陽公轉。
打個比方，地火轉移軌道就像是一條以太陽為中心的橢圓形閉環高速，火星只是這條高速上的一個出口，一旦探測器不能及時剎車、從火星出口下高速，那就只能多繞一圈，到下次路過該出口了，而這需要數年的等待。
剎車制動
這樣的遺憾，已經有不少案例。2010年12月日本的拂曉號金星探測器就由于發動機故障而未能及時完成金星捕獲制動，直接飛越金星。直到2015年12月，它才再次回到金星附近，此時它已經接近壽命末期，還好此次捕獲成功。
其實，面對這一關鍵的剎車段，天問一號的研制團隊設計了相當靠譜的剎車方案，不僅可以準確判斷是否降至目標速度，在發動機推力減速控制的過程中，還可以全自主地對發動機推力的大小和方向進行實時判斷，并自主更新剎車參數及相應的控制算法，最終確保了可靠、精準的完成了剎車。
看點四：精準與可靠兼顧的高難度“跳水”
成功剎車制動后，在無形的火星引力之手牽引下，經過幾個月的詳細觀察與調整后，天問一號將實施火星之旅的另一項關鍵動作——器器分離。
在約3個小時內，環繞器需要變軌到危險的撞擊火星軌道，建立并保持著陸器進入火星大氣所需要的姿態，而姿態的誤差要小于0.01度。在預定分離時刻，環繞器與著陸器必須完成分離，經過安全距離飄飛過程后，環繞器需要迅速完成推力加速，以回到安全的環繞火星軌道。
環繞器猶如一名優秀的跳水運動員，需要完成一次空中高難度的翻騰和時間精準的入水。環繞器這一系列姿態機動“翻騰”和器器分離“入水”動作必須一氣呵成。“入水”太早難以保證著陸器進入精度，“入水”太晚則會造成環繞器撞擊火星的風險。
“精準”與“可靠”如何選擇？航天設計師們的答案是“我都要”。設計師們仔細考量分離過程的潛在風險，設計了從姿態測量、速度計算、推力輸出等各因素出現故障情況下的自主處置預案，使得環繞器在部分推力器或敏感器失效等情況下，既能保證環繞器與著陸器實現準確分離，又能保證分離后環繞器安全返回環火軌道。
這場精妙絕倫的高難度“跳水”，將在3個月后上演，一定不能錯過。
