火星到地球最近距离约为5500万千米，最远距离约为6亿千米。火星探测器如何选好航道？我们不妨以“天问一号”为例，看看它是如何漂亮“走位”。
最节省发射燃料的霍曼轨道
首先要明确的事，天体运动轨迹复杂，探测器理论上最近的“捷径”往往不是最佳选择。目前，探测器飞向火星，采用最多的是霍曼转移轨道。这种轨道呈现半椭圆形态，长轴一端与地球轨道相切，另一端与火星的近日点相切。这就为地球和火星架起了一座“桥梁”。
一般来说，探测器在地球轨道的某点A点火加速，脱离原来的轨道，跃升到更大的霍曼转移轨道，并在轨道远端的B点进入火星轨道。这条轨道单程约6亿公里，探测器平均需要飞行约260天，虽然不是最近的“捷径”，但却是最节省发射燃料的。
出发时，探测器需要达到32.7千米/秒，但是沿地球公转轨道的切线方向发射出去，可以最大限度借用地球公转速度（29.8千米/秒），探测器只需在此基础上再提高2.9千米/秒。
有了32.7千米/秒的初速度，探测器就可以弹向远端的B点，整个过程除了修正和机动，全程不需要动力。
探测器在远离太阳的过程中受到太阳的引力，速度逐渐减慢，如果不考虑火星引力加速影响，探测器抵达B点时，速度将为21.5千米/秒。
当探测器到达B点时，探测器需要反方向点火，制动减速，被火星引力捕获，成为环绕火星的卫星；如果没有被火星捕获，它将沿着椭圆轨道再落回来，变成围绕太阳运行的人造小天体。
图1 从地球到火星的霍曼转移轨道
然而，走霍曼转移轨道去火星，也不是说走就能走的，有很多技术难点。比如，探测器从地球发射，沿霍曼转移轨道到达和火星轨道的交点时，火星必须恰好也运行到那里。这就要求探测器发射时，火星必须在地球前方某个角度，这就是发射窗口。经过计算，每26个月出现一次发射窗口。
"天问一号”的漂亮“走位”
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采用标准霍曼转移轨道时，探测器离开地球的速度和方向都是确定的。如果火箭运载能力足够强或探测器本身携带很多推进剂，且不在乎抵达火星后的剩余，则可以走“改进版”霍曼转移轨道，缩小飞行距离和时间，从而走上“捷径”。
我国的“天问一号”火星探测器就是走的一条很特殊的霍曼转移轨道，一条兼顾运输效率和飞行效率的“捷径”。在满足荷载需求的基础上，长途旅行4.7亿千米，仅用时202天，用漂亮“走位”节省52天的飞行时间。
相比于标准的霍曼轨道，“天问一号”的转移轨道未与火星轨道精确相切，而是提前与火星轨道相交，从而缩短了探测器飞行的距离，减少飞行时间。
“天问一号”火星探测器从地球轨道（A点）出发，经过4次轨道中途修正、1次深空机动（发动机工作时间长，速度增量大，探测器真正变轨到火星轨道），在到达标准霍曼转移轨道的远日点（图1的B点）之前，就已经到达了火星轨道，并与火星“相遇”。
这时“天问一号”需要“刹车”，从而被火星引力捕获。看似简单，实则不易，“刹车”力度必须恰到好处，如果减速太多，“天问一号”就会一头栽到火星上去；如果太少，“天问一号”就会飘然离去。
图2 “天问一号”从地球到火星的漂亮“走位”示意图
（优化霍曼转移轨道）
难点在于，此时火星距离地球1.9亿千米，“天问一号”与地球之间的通信传输一个来回就需要21分钟。而且，此时“天问一号”还在火星背后，与地球之间的通信被阻断，切入火星轨道的所有动作全靠“天问一号”自主完成。
看似寻常最奇崛，成如容易却艰辛。“天问一号”的漂亮“走位”，背后是中国航天事业和深空探测技术的不断进度。
文字丨张万强
编辑丨张明硕
审核丨黄正宇返回搜狐，查看更多