我怎样才能从地球到达火星？
第一，看距离。地球和火星都是绕着太阳转，地球跑第三圈，火星跑第四圈。两个轨道都是接近圆形的椭圆。地球轨道相当接近圆形，半径约1.5亿公里。火星的轨道略平，近日点和远日点分别约2.07亿和2.49亿公里。
可以看出，地火与太阳的距离最近的是太阳、地球、火星排成一行的时候，称为“火星冲向太阳”，最小距离约为6000万公里。地球与火的最远距离是地球与火星分离并排列在太阳两侧时，最大值约为4亿公里。
火星是一种周期性现象，大约每780天出现一次。为什么？这个数值可以从地球和火星的公转周期计算出来。
地球上的一年大约是365天，而火星上的一年大约是687天。780天后，地球走了780/365=2.14圈，火星走了780/687=1.14圈。地球刚刚比火星多走了一圈。所以，如果出发的时候火和土在一条线上，那么在这里又会在一条线上。
所以每隔780天，也就是26个月左右，就会有一个火星探测的窗口期。2020年的窗口期，中国的火星探测工程:田文一号终于亮相。
下一个问题是:我应该如何到达那里？直飞火星？
在重力的作用下走直线是不可能的。在太阳系中，最大的引力源是太阳。除了每颗行星附近，太阳的引力在空的大部分地方都起着主导作用。所以飞船从地球到火星的大部分行程都是由太阳控制的。如果途中不打开电源，那么根据开普勒第一定律，飞船的轨迹是一个以太阳为焦点的椭圆。
基于这些考虑，答案显而易见。我们走的是这样的轨道:当它离开地球时，与地球绕太阳的轨道相切，这就是近日点；当接近火星时，它切入火星围绕太阳的轨道，这就是远日点。中间是以太阳为焦点的椭圆的一部分。全程中，发动机只需要点火两次，分别在起点和终点。这种方式消耗的燃料最少，是最安全、最高效的操作。
这样的轨道被称为“霍曼转移轨道”。它是由德国物理学家沃尔特·霍曼在1925年提出的。一个霍曼转移轨道的距离约为6亿公里，约为地火最近直线的十倍。飞行时间大约260天，也就是9个月左右。
如果你愿意消耗更多的燃料，投入更多的成本，可以偷工减料。这就是所谓的“快速转移轨道”。比如2018年美国发射的洞察号，依靠强大的火箭和最佳的时间窗口，仅行驶了4.8亿公里，仅用了7个月就到达了火星。
但是，化学火箭的能力已经接近上限。所以，无论你投入多少，都很难让从地球到火星的时间少于6个月。但是新的推进技术正在发展，比如离子电力推进和核能推进。如果这些技术成熟，从地球到火星的旅程有望大大缩短。
中国的起点很高
此前，大多数成功的火星项目来自美国。苏联和后来的俄罗斯尝试过很多次，但大多以失败告终。
2011年，中国的火星探测器“萤火一号”参与了俄罗斯的“火卫一-土壤”探测计划，搭乘俄罗斯火箭升空空。但由于来自宇宙的高能粒子突然增多，探测器芯片出现故障，无法改变轨道，最终在大气层中烧毁。
当时中国还没有能把大载荷送上火星的火箭，也没有能到达火星的全天空deep 空通信网。但是现在，中国有了强大的长征五号火箭。此外，还开发了深度空通信网络，在2019年嫦娥四号登陆月球背面的壮举中发挥了关键作用。
中国在火星探测领域是后来者，但起点相当高。“田文一号”将一次执行三项“环绕和巡逻”任务，其有效载荷包括三个部分:轨道器(也称轨道器)，可环绕火星进行观测，并与地球进行中继通信；着陆器，用于登陆火星；还有巡洋舰，漫游者。
其他国家第一次对火星的任务只是包围，甚至是绕了又掉，甚至是不包围。只是飞来飞去，从来没有一上来就成套的。
三步中最难的是“落”。目前只有美国成功实现了“登陆”以及随后的“巡逻”。其他国家几次尝试登陆火星，但都失败了。中国选择如此激进的路线，说明它对自己的技术相当自信。另外，还有一个原因，就是只有大踏步前进，才能取得更有价值的科学成果。
很多前辈都做过简单的“绕”和“落”就能观察到的现象。所以，如果真的要在科研探索上有所突破，就需要全部“走一走，巡一巡”。特别是火星车可以自由移动，探索别人没去过的地方。
这背后需要回答的问题是:探索火星是为了“面子”还是真的有必要做科学探索？
一个戏剧性的例子来自印度。早在2013年11月，印度就发射了“曼加里安”火星探测器。在飞行了11个月后，它于2014年9月进入环绕火星的轨道。
凭借这一成就，印度成为第一个也是唯一一个首次成功探索火星的国家。
然而，这里的关键是“圆满成功”。一些国家或地区的首次任务，虽然只是部分成功，但取得了比印度多得多的科学成就，比如欧洲的“火星快车”。所以印度的“完全成功”是目标很低的成功，基本上只有刷骄傲的价值。
有了这些背景，我们就能更好地理解中国探索火星的战略选择。历史上，美国和苏联在Tai 空的探索上投入了巨大的资源。苏联起步较早，前期有技术优势。但是，美国后来居上，超过了苏联。一个重要的原因就是美国意识到了泰空事业的发展应该以科学为主导。
比如1957年苏联的卫星在地球上空几万公里处记录到辐射带，但被认为是仪器问题。几个月后，美国卫星也发现了这条辐射带。这是一个伟大的发现，被命名为范艾伦辐射带。范艾伦是美国物理学家，也是早期卫星的开发者。
中国火星探测首席科学家万院士因癌症于2020年5月20日逝世，享年62岁。他在2019年的一篇文章中说:“如果说第一次热潮的主题是探索竞赛，是比较谁先跑得最快，那么第二次热潮的主题应该是科学竞赛，是比较谁先看得最深。人们不满足于看星球表面，而是看向时间深处——研究星球的演化历史，看向空之间的深处——研究星球内部结构，看向人类深处——研究生命起源，寻找地外生命。”
2020年7月13日，《自然·天文学》刊登了万的讣告和他关于一号的文章:“一号将首次尝试绕轨、着陆和释放巡视器，并与轨道器配合观测。从来没有行星任务是以这种方式执行的。如果成功，它将标志着一项重大的技术突破。从科学上讲，‘田文一号’是研究火星形态、地质、矿物学、环境、土壤、水和冰分布最全面的任务。”(文薇袁兰峰，中国科学技术大学微尺度材料科学国家研究中心副研究员)
