没有先例的挑战
通常来说，火星探测有三种方式：在轨道上绕火星飞行进行较远距离探测的环绕器，降落到火星表面，原地进行探测和实验的着陆器，以及能在火星上运动的巡视器（火星车）。
在“天问一号”中，我国计划在首次发射中一次性实现“绕”、“落”、“巡”三大任务，这在世界航天史上还没有过先例。即使我们有了一定的探月经验作为基础，但也面临着很大的挑战。
难度主要存在于在地火距离遥远以及对火星环境的不了解上。相比地月距离，地球与火星的距离非常遥远，最远时约为 4 亿千米，最近时也有约 5600 万千米。以我国这次将要发射的火星探测器为例，需要飞行 200 多天才能到达遥远的火星。这带来的首个挑战，就是在携带燃料有限的情况下，探测器如何能够飞越如此遥远的距离，这就需要研究者对探测器飞行轨道进行精密的设计。
根据计划，火星探测器会按照“霍曼转移轨道”飞行。在“天问一号”火星探测器发射升空后，会先在地球附近加速，进入霍曼转移轨道利用惯性保持飞行，惯性飞行过程中不需要消耗燃料。等到达火星轨道时，探测器会“刹车”降低速度，最终被火星捕获。这就是本次火星探测任务第一阶段的目标：环绕火星飞行。
若想成功进入霍曼转移轨道，对火箭的运载能力和入轨精度有很高的要求。月球探测器进入地月转移轨道所需的速度是 10.9 km/s，而火星探测器进入霍曼转移轨道的速度至少要达到第二宇宙速度（11.2 km/s）。因此，这次发射任务使用了新一代运载火箭中推力最大的“胖五”——长征五号运载火箭。在成功进入太空后，整流罩中的火星探测器会与火箭“星箭分离”，独自飞向火星，这段旅程大概需要 6~7 个月。如果一切顺利，探测器预计于明年 2 月左右到达火星引力势场内，切入火星轨道，被火星捕获。这个捕获的阶段非常关键：在切入火星轨道时，如果切入点离火星太近地火距离，探测器可能会坠毁；如果太远，探测器可能无法被引力捕获而掠过火星。
7月17日，长征五号遥四运载火箭完成垂直转运至发射区。（图片来源：国家航天局新闻宣传中心）
登上火星有多难
若能成功切入火星轨道，再经过多次调整，环绕器就可以进行环绕探测了。这时我们将迎来本次火星探测任务的第二个阶段，也是最大的难点——火星着陆。火星探测器需要将 4.8 km/s的超高速，减到火星着陆时的 0，这个过程只有 7 分钟左右，也被称为“恐怖7分钟”。着陆器何时开始减速进入火星大气、进入的姿态、进入的角度都需要精准的控制，然而问题在于，我们对于火星上的环境，尤其是大气状况的了解非常有限。再加上地火距离遥远，从地球发送到火星的单程无线电信号，单程延时为 20 分钟左右，难以依靠地球指挥着陆。
“天问一号”任务计划采用的减速方式将分为四个阶段进行。第一个阶段是气动减速段，探测器会踩下“急刹车”，在大约 290 秒内将速度从 4.8 km/s迅速降低到 460 m/s。接下来探测器将打开降落伞，在大约 90 秒后，速度会降到约 95 m/s。随后进入第三个阶段——动力减速段，探测器的反推发动机开始工作，在 80 秒内将速度降到 3.6 m/s以下。当探测器距离火星表面约 100 m高时，就进入了最后的着陆缓冲段，探测器准备开始悬停避障。此时探测器的速度已经很慢了，探测器会自主观察火星表面，快速计算出最佳着陆点。最终它将水平移动到该点上方地火距离，伸出“四条腿”，并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。
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