環(huán)繞器和著陸器，一對好搭檔

雖然對新的飛行路徑方案的研究已有不少成果，但在目前的技術(shù)條件下，人類向火星發(fā)射的探測器只能沿著一條被稱為“費(fèi)曼轉(zhuǎn)移軌道”的橢圓軌道，從地球附近飛向火星附近。這條橢圓軌道的兩端，一端與地球公轉(zhuǎn)軌道相切，一端與火星公轉(zhuǎn)軌道相切。由于探測器沿著這條軌道飛向火星的時(shí)間是一定的，而入軌的時(shí)機(jī)有必須使得航天器到達(dá)轉(zhuǎn)移軌道另一端時(shí)，剛好與火星相遇，因此向火星發(fā)射的窗口每26個(gè)月才會(huì)出現(xiàn)一次。下次火星發(fā)射的窗口將于2020年出現(xiàn)，我國的火星探測器計(jì)劃于那時(shí)啟程，奔赴火星。在這個(gè)時(shí)間段和她一塊上路的，還有美國NASA的火星2020探測器。

（探測器未在發(fā)射窗口發(fā)射，雖然到達(dá)火星軌道但未能與火星相遇）

（探測器在發(fā)射窗口發(fā)射，與火星相遇）

從圖片中，我們可以看到我國的首個(gè)火星探測器大致由兩部分組成。上面的一部分呈現(xiàn)鈍頭的錐形，與神舟飛船的返回艙外觀相似。而下面的一部分則外觀金光閃閃，底部有一個(gè)噴嘴，與一般的衛(wèi)星有幾分相像。根據(jù)已發(fā)表文獻(xiàn)的介紹，我國首次火星探測將在一次任務(wù)中實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視這三種手段的探測，而探測器由環(huán)繞器和著陸器兩部分構(gòu)成。筆者認(rèn)為，圖片中探測器的上半部分的鈍頭體是適合在火星大氣中實(shí)施氣動(dòng)減速的外形，因此應(yīng)該是著陸器，而下半部分沒有為著陸過程中與大氣的相互作用采取特殊措施，應(yīng)該是不進(jìn)入火星大氣層的環(huán)繞器（也稱軌道器）。

按照計(jì)劃，環(huán)繞器和著陸器的組合體將由長征五號火箭直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道，也就是上文所提的費(fèi)曼轉(zhuǎn)移軌道飛向火星，而不會(huì)像某南亞國家的探測器一樣，在地球附近要兜很長時(shí)間的圈子一點(diǎn)一點(diǎn)的變軌。一般來說，這種較為復(fù)雜的入軌操作，要由為長征五號配套研制的遠(yuǎn)征二號上面級來完成最后的工作。入軌后，探測器要經(jīng)歷9個(gè)月左右的飛行，其間還要視情況對軌道進(jìn)行中途修正，才能到達(dá)火星附近。在接近火星后，探測器要使用自己的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施變軌操作，從以太陽為中心的轉(zhuǎn)移軌道過渡到以火星為中心、周期約為10個(gè)火星日的橢圓軌道上。在這條軌道上進(jìn)行調(diào)整后，探測器會(huì)再行過渡到周期為2個(gè)火星日的橢圓停泊軌道上，進(jìn)一步接近火星。在這里，組合體會(huì)對預(yù)定的著陸區(qū)進(jìn)行抵近探測，確定實(shí)際使用的著陸點(diǎn)。之后，著陸器和環(huán)繞器分離，著陸器在火星軟著陸后釋放巡視器（也稱“火星車”），由巡視器開展巡視探測。而環(huán)繞器則留在環(huán)繞火星的軌道上，在進(jìn)行探測的同時(shí)，也充當(dāng)火星車與地球之間的“信使”，提供通信中繼服務(wù)。

做難事必有所得

對于火星探測來說，環(huán)繞探測可以使我們獲得有關(guān)火星較為全面的信息，而著陸和巡視探測則能夠使我們獲得更為的精細(xì)信息，在環(huán)繞器和巡視器的相互配合下，我國首次火星探測將完成研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、火星表面土壤特征與水冰分布、火星表面物質(zhì)組成、火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征和火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)這五方面的科學(xué)目標(biāo)。同時(shí)，雖然在火星表面著陸的航天器也能直接與地球進(jìn)行通信，但由于著陸器和巡視器一般不會(huì)配備增益比較高的天線，受遙遠(yuǎn)距離導(dǎo)致的信號衰減影響，與地球通信的帶寬十分有限。此外，受火星的自轉(zhuǎn)及火星與地球間相對位置等因素的影響，能夠進(jìn)行直接通信的時(shí)間段也比較有限。因此，環(huán)繞器不只在科學(xué)上具有與著陸器、巡視器互補(bǔ)的作用，其中繼通信功能也是巡視器能夠完成任務(wù)的必選配備。

對于美國NASA這種已經(jīng)長期進(jìn)行火星探測的老手，往往在新的著陸器發(fā)射前，火星附近就已經(jīng)有多個(gè)環(huán)繞器在穩(wěn)定工作。因此，只需單獨(dú)發(fā)射著陸器，就能依靠已有環(huán)繞器的中繼通信服務(wù)完成任務(wù)。例如，當(dāng)好奇號火星車發(fā)射時(shí)，NASA的火星奧德賽、MRO及其合作方ESA的火星快車，都已經(jīng)在火星軌道上等待為好奇號提供服務(wù)。而對于我國的首次獨(dú)立火星探測，就采取了把環(huán)繞器和著陸、巡視器打包在一起發(fā)射的方式。這也是美國的維京1號（“維京”也譯作“海盜”）、維京2號等最初進(jìn)行火星著陸探測的探測器所采用的方式。