天问一号于7月27日发射，啪的一下，很快啊，2月10号就要进入火星轨道了。火星毕竟是四十多亿岁的老同志，没有闪，这下要被天问一号看光光了。
天问一号是怎么进入环火轨道的？这个环火轨道有什么特征？这样的轨道能用来做什么？
01
如何入轨？动量的“小”把戏
大家大概已经通过新闻知道——天问一号将会通过三次“近火点”的火箭点火，将自己固定在一个稳定的火星轨道上。
为什么是近火点呢？为什么不是轨道上的任意一个点呢？这样有什么好处呢？
其实，这就是一个关于动能和动量的“小把戏”。
我们在高中就已经学习过“机械能守恒”的定理。对于一个物体来说，其动能和引力势能的和，被称为是机械能。机械能的具体大小是依赖于参考系的，首先它需要一个提供强大引力的天体，比如地球或者火星，其次其动能也是相对于这个天体而言的。
如果我们取距离地球无穷远处，一个特定物体的引力势能为“0”，那么，在距离地球任意远的地方，引力势能将是一个负值。而这个特定物体相对于地球的动能将始终是一个正值。采用这样的方法，我们将能够很轻易地通过二者的和，即机械能，来确定这个物体能否被引力捕获。机械能小于0，动能无法克服引力势能，物体被捕获，轨道形态为椭圆（当然，也有可能会撞上地面）；机械能大于0，那么动能可以完全克服引力势能，物体逃逸，轨道形态为双曲线。
对于火星也是一样。天问一号来自于地球，造访火星，也就是说，他本来是属于“火星之外的”。如果以火星作为参考系，按照前文所述的计算方法，显然，其机械能是大于0的，如果不能想办法“减少机械能”，那么，天问一号就只能“飞掠”火星，再次逃逸，而非进入环绕的轨道。
怎么做呢？刹车。
当今航天器的刹车方法主要有两种，利用行星大气层阻力和空气动力的“大气刹车”，和利用火箭发动机的反向推进刹车。
美国人对火星的大气环境已经摸得比较熟了，这次他们的火星车将会直接采用大气刹车，一步到位，将“毅力号”火星车从逃逸轨道，减速到环绕轨道，再减速到亚轨道，然后着陆。
但是天问一号不行。一方面，天问一号分为轨道器与着陆器（巡视器）两大部分，轨道器要长期留在火星的稳定轨道上，不能一股脑地刹车；另一方面，我国对于火星大气环境，包括密度分布、温度分布、风场等等都知之甚少，美国在公开论文中给出的数据不够精细，也不能轻信。所以，天问一号实际上完全是采用火箭发动机反推刹车的方案。
反推刹车虽然听起来粗暴，但也有诸多的讲究。这就要回到“机械能”这个问题上去。
那么根据动量守恒定理：
而火箭动能的改变量则为：
这种效应被称为奥伯特效应，由德国火箭专家，赫尔曼·奥伯特提出。
机械能由引力势能和动能组成，大家想想，天问一号在飞掠火星的时候，什么时候引力势能最小，动能最大呢？
那当然是距离火星最近的时候！也就是近火点。
02
极地轨道？长啥样？
火星大约每24小时37分钟自转一周（一个火星日），天问一号停留在极地轨道上，火星的地表就在下面一直转圈圈。极地轨道使得天问一号得以充分了解整个火星的全貌。
在前三个月里，天问一号停留在这个轨道上，不断地分析下方地表的情况，通过拍照、雷达、红外干涉的方法，摸清楚地形地貌、大气特征、风速、气候。然后找一个天朗气清，惠风和畅，并且没有沙尘暴的天气，降低轨道，把着陆器扔出去。这个日子大约在今年的五月份，那个时候火星北半球进入初夏，气候相对稳定。
扔出着陆器，天问一号轨道器又会抬升轨道，直到进入一个近火点265千米高度（距离火星参考平面），远火点12，500千米的椭圆近极地轨道。
在天问一号火星车的主任务周期内，轨道器的科学任务将是次要的，而中继任务将是主要的，他将搭起火星车和地球沟通的桥梁，让地球上的我们能够“看见、听见”那遥远异星上的故事。
在天问一号火星车任务结束之后，天问一号轨道器也会将轨道降低至最终的265X12000km，这个轨道被称为“科学轨道”，将被用于后续天问一号轨道器的具体科学测量任务。
03
科学测量？高椭圆轨道很重要
火星的科研是非常复杂的系统工程，而且隔行如隔山。于是小编决定只讲自己了解的——火星的磁场。
火星有一个很独特的性质：没有内生磁场。
我们知道地球是有内生磁场的，而且很强。那是一个偶极磁场，在地球两极地区大约能到达65000nT左右。就算是北京，也有大约40000nT。
而在火星，内生磁场基本没有，只有岩石圈有一些剩余磁场。
地球上，磁场抵御了太阳风。而在火星上，太阳风长驱直入，直接就吹拂在了火星的电离层上。
电离层的电导率非常高，相当于是良导体，在太阳风磁场的吹拂下，会产生抗磁性。从而，太阳风磁场的磁力线就被拉伸，弯曲，就像一缕发丝，披散在火星的大脑门上。
比较奇妙的是，由于火星内生磁场可以忽略不计，太阳风磁场的主要方向又是东西方向（平行黄道面方向），因此火星电离层附近的磁场，也是东西方向的，与地球完全不同。
这缕发丝飘逸不羁，火星是留不住他的，于是这发丝渐渐向火星的南北两极披散过去，最终离开火星，回归行星际空间。
但这缕发丝燕过留痕——它带走了火星的气息。
就像“搓澡”一样，这太阳风磁场从火星电离层上一路“搓”过去，带走了很多火星电离层的成份。现在，科学家们猜测，火星大气和水的蒸发，就与前述的作用很有关系。
不过问题来了——以前的成功的火星轨道器，可没有为这个科学目标专门设计过！
为此，天问一号轨道器搭载的磁强计，将采取如图的测量模式：
听起来很宽泛？那就对了，毕竟这一切，目前还都蒙着神秘的面纱。
当然啦，天问一号作为我国的首个火星探测任务，其最主要的目标，直白地说，就是“成功”二字。只要能够成功入轨、成功着陆，就是最重要的成就。作为延伸任务的科学探测目标，在这次任务中，是第二重要的，需要等待前序任务都圆满成功后，再择机实施。
不过可以预见的是，在未来的一年至两年里，中国的行星探测科学产出，将会呈现井喷式增长——火星，我们已经来了！