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間是一定的，而入軌的時機有必須使得航天器到達轉(zhuǎn)移軌道另一端時，剛好與火星相遇，因此向火星發(fā)射的窗口每26個月才會出現(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劃于那時啟程，奔赴火星。在這個時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，底部有一個噴嘴，與一般的衛(wèi)星有幾分相像。根據(jù)已發(fā)表文獻的介紹，我國首次火星探測將在一次任務(wù)中實現(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施氣動減速的外形，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)該是不進入火星大氣層的環(huán)繞器（也稱軌道器）。

按照計劃，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曼轉(zhuǎn)移軌道飛向火星，而不會像某南亞國家的探測器一樣，在地球附近要兜很長時間的圈子一點一點的變軌。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個月左右的飛行，其間還要視情況對軌道進行中途修正，才能到達火星附近。在接近火星后，探測器要使用自己的發(fā)動機實施變軌操作，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個火星日的橢圓軌道上。在這條軌道上進行調(diào)整后，探測器會再行過渡到周期為2個火星日的橢圓停泊軌道上，進一步接近火星。在這里，組合體會對預(yù)定的著陸區(qū)進行抵近探測，確定實際使用的著陸點。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，在進行探測的同時，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，雖然在火星表面著陸的航天器也能直接與地球進行通信，但由于著陸器和巡視器一般不會配備增益比較高的天線，受遙遠距離導(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，能夠進行直接通信的時間段也比較有限。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)有多個環(huán)繞器在穩(wěn)定工作。因此，只需單獨發(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，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號等最初進行火星著陸探測的探測器所采用的方式。