2021年11月，我国“天问一号”与欧空局“火星快车”任务团队合作，开展了“祝融号”火星车与“火星快车”轨道器在轨中继通信试验，取得圆满成功。“祝融号”作为我国成功着陆火星的首辆火星车，为什么会跟欧空局的“火星快车”合作，进行在轨中继通信试验呢？这还要从上个月“天问一号”环绕器进入新的工作轨道说起。
2021年11月8日傍晚，“天问一号”环绕器的四台120N发动机工作近260秒，速度增量约78米/秒，顺利降低了远火点和近火点高度，成功完成第五次近火制动，准确进入近火点约265千米，远火点约1.07万千米，倾角约87°，轨道周期约7.08小时（每个火星日绕行约3.47圈）的遥感使命轨道。
在本次近火制动前，“祝融号”火星车着陆后，“天问一号”环绕器曾长期处在中继通信轨道，该轨道的近火点也为250~400千米，但远火点约1.6万千米，比遥感使命轨道的高出约6000千米。相对的，轨道周期也更长，约8.2小时，即1/3个火星日。这一特性使环绕器在每个火星日内，正好绕飞3圈，其中一圈的近火点，必在“祝融号”火星车所在的乌托邦平原上空，从而可为“祝融号”提供中继通信服务。
处在中继通信轨道的“天问一号”环绕器星下点轨迹如图。当时，轨道器每天绕火星三圈，必从“祝融号”火星车上空经过。可能有人会问了，“祝融号”与地面的通信非得靠环绕器这个信号中转站，就不能直接和地面联系吗？答案是，能，又不完全能。“祝融号”具备直接对地通信能力，但由于地火距离最远有4亿千米，最近也有5500万千米，直接对地通信链路的传输速率极慢，只有16bps。
也就是说，“祝融号”每秒钟仅能发两个数字给地面，所以直接对地通信模式只用于传输拿来判断火星车状态的工程遥测数据，而数据量大的图像和其他科学数据只能依赖中继通信传回地面。既然如此，为什么“天问一号”环绕器要弃“祝融号”而去，转去一条新的轨道呢？因为，环绕器不甘只当“信号中转站”，人家有着更重要的使命：火星全球遥感探测！
遥感使命工作中，环绕器上的中分辨率相机（分辨率100米，幅宽400千米）、高分辨率相机（分辨率最高0.5米，幅宽9千米）、次表层探测雷达、矿物光谱分析仪、磁强计、离子与中性粒子分析仪、能量粒子分析仪等7台科学载荷，将获取火星形貌与地质构造、表面物质成分与土壤类型分布、大气电离层、火星空间环境等科学数据，重点关注陨石坑、火山、峡谷、干涸河床等典型地貌和地质单元，实施高分辨率探测。
火星全球高分辨率探测，要求环绕器相机在轨道高度低处（近火点附近）“拍照”，这样的“拍照”还必须覆盖火星全球，而不能一直只呆在“祝融号”上空。这也是它此次变轨的原因——降低远火点高度，加快飞行速度，利用火星重力场特性（轨道摄动）实现近火点漂移（改变近火点所在的经纬度），这样就能实现不同区域的探测，覆盖火星全球不是梦！
一般来说，近火点漂移的规律为从南到北、再由北向南，如此循环往复，约200天能够实现对火星一次全球覆盖探测。按此推算，明年6月，我们应该就能见到国产的火星全球高清高精影像图了！环绕器进入遥感探测轨道后，与“祝融号”中继通信的机会必然相对变少。为此，中国航天局早前就与欧空局建立了合作共识，“祝融号”将在欧洲“火星快车”轨道器的帮助下，增加中继通信的机会，提高通信速率和科研效率。
此次中欧双方的火星探测合作，对我国而言，有助于提高祝融号的科学探测效率与地面所接收的数据量；对欧空局而言，既能共享祝融号科学数据，又能测试火星快车号的数据盲收功能。这可以说是一次“双赢”的太空合作典范。后续，在本阶段试验的基础上，我国和欧空局进一步开展科学数据中继通信合作。在此，我们不妨再来回顾一下“天问一号”火星探测任务的历程和亮点。“天问一号”漫漫火星路。
2020年7月23日12时41分05秒，“天问一号”在海南文昌航天发射场101工位由长征五号遥四火箭发射升空，踏上奔火之路，笔者有幸在现场见证了这一历史性时刻。历时6个半月的航行，“天问一号”完成4次轨道中途修正和1次深空机动，于2021年2月10日通过第一次近火制动，顺利被火星捕获，开始环绕火星飞行。
有趣的是，在奔火途中，“天问一号”通过分离一台特制的WIFI相机，在深空中拍下了自拍照，这在国际上尚属首次。进入环火捕获轨道后，“天问一号”又在半个月内，通过远火点平面机动、第二次和第三次近火制动，进入环火停泊轨道。
此时的轨道倾角由起初的10°变为约87°，即近乎垂直着火星赤道飞行，这是后续遥感探测所必需的条件；远火点高度由约18万千米降低至约6万千米，轨道周期变为2个火星日，可确保每次飞到近火点附近都在预定着陆区域乌托邦平原上空，使探测器能不断勘察着陆区域，为落火做准备。经过3个月的精心筹谋，2021年5月15日凌晨，“天问一号”完美执行了降轨制动、两器分离、环绕器升轨等一系列复杂动作。
当天7时左右，着陆巡视器以4.5千米/秒的速度冲入了火星大气当中，开始了进入、下降和着陆（EDL）火星的关键而恐怖的9分钟。在这9分钟的前一半时间内，着陆巡视器处在气动减速段，通过与火星大气的高速摩擦，减掉了约90%的速度。之后，在近2马赫的情况下超音速开伞，进入降落伞减速段。开伞后一段时间，在8.5km高度处抛掉大底。
当速度降至100m/s，高度达1.2km时，背罩抛离，7500N变推力发动机开机，进入动力减速段。在高度降低至约100米时，着陆巡视器开始悬停避障，通过“空中漂移”到合适的着陆位置上空，再缓速下降。最终，在5月15日7时18分，水平和垂直速度都降低到0，并且4支着陆腿在着陆瞬间进一步缓冲着陆速度，使着陆巡视器稳稳地落在了火星乌托邦平原上（25.066°N, 109.925°E）！
5月17日，环绕器于完成了第四次近火制动，远火点由6万千米降低到1.6万千米，轨道周期变为1/3个火星日，顺利进入中继通信轨道。此后，环绕器在每个火星日都有4~6小时的时间开展中继通信，既能将地面指令发给“祝融号”，也能把“祝融号”的科学数据传回地面。“祝融号”漫游红色大地。
2021年5月22日10时40分，“祝融号”火星车“走下”了着陆平台，踏上火星大地，迈出了0.522米的第一步，以纪念5·22这一特殊日子。在“祝融号”最初工作的90天内，为我们贡献了许多惊艳照片！诸如“中国印迹”、“着巡合影”、背罩和降落伞照片，以及多次环拍成像与火星地形地貌成像。有趣的是，“天问一号”/“祝融号”还准备几个小彩蛋：着陆平台上藏有2022北京冬奥吉祥物“冰墩墩”和“雪容融”。
“祝融号”火星车表面和“天问一号”着陆平台上，各有一面国旗，都采用轻量化的特殊材料设计，后者更是设计了类似中国传统文化中书画/画轴的展开方式，利用形状记忆复合材料实现国旗的锁定和释放。“天问一号”的主降落伞上带有两个“火”字。这顶主伞是锯齿形盘缝带伞，展开面积达200平方米，共有48根伞绳牵引。
着陆火星最难的步骤便是2倍声速的超音速开伞，以往国外不少探测器折戟于此，而“天问一号”第一次就能获得成功，离不开4次超音速高空开伞试验的坚实保障。“祝融号”火星车“脑门”上的“火”字车标，其设计源于出土于黑龙江海林县的一枚800年前北方金朝印章“恒术火仓之记”。这是一个不太大的官的印章，该“火”字是用九叠篆的手法将字形抽象处理得到的。
“祝融号”火星车行驶留下的车辙印上带有“中”字，不但具有中国特色，而且蕴涵着一定的科学道理：正常在行驶比较坚硬的地面上的话，两个“中”字之间的距离是1米；若两个字之间距离较小，如0.5米，则说明火星车在打滑，很可能出现沉陷，就比较危险了。所以，这个“中”字可辅助测量车行驶的滑移率，是判断火星车是否行驶正常的视觉依据。
“祝融号”火星车在巡视探测期间，按照“七日一周期，一日一规划，每日有探测”的高效探测模式运行，6台科学仪器各显神威：导航地形相机获取沿途地形地貌数据，支持火星车路径规划和探测目标选择，并用于开展形貌特征与地质构造研究；次表层探测雷达获取地表以下分层结构数据，用于浅表层结构分析，探寻可能存在的地下水冰；气象测量仪获取气温、气压、风速、风向等气象数据，用于开展大气物理特征的研究，并能记录火星表面的声音；表面磁场探测仪获取局部磁场数据，与环绕器磁强计配合，探索火星磁场演变过程；表面成分探测仪、多光谱相机获取特定岩石、土壤等典型目标的光谱数据，用于元素和矿物组成等分析研究。
2021年9月13日至10月18日，“祝融号”进入日凌阶段，开始了一个多月的休假。所谓日凌，即地球与火星公转到一定位置时，地-日-火几乎连成一条直线，太阳横亘在地火之间，并干扰地火之间的通信联系。如此一来，就无法保证火星车能收到正确的地面指令了，所以为安全起见，需暂停“祝融号”巡视探测工作，原地待命。日凌期间的“祝融号”，虽然不再移动，但控制系统和各电子设备仍保持正常运转，“大脑”还是清醒的。
环绕器则与地面持续保持功率较低的低增益天线通信，科学家从中获取了日凌状态下深空测控通信受干扰情况的实测数据，为后续任务应对日凌积累了一手数据和工程经验。出日凌后的“祝融号”火星车，至今的工作时间已超90天设计寿命的2倍，成为我国又一个超期服役的深空探测器。截至12月1日，“祝融号”火星车在火星表面工作196个火星日，累计行驶1297米，获取巡视探测原始科学数据约10GB，能源充足、状态良好。
后续拓展任务阶段的“祝融号”火星车，计划向南行驶，探测距其2千米处的沿陡坎分布的沉积状沙堆，以研究沙堆的物质组成和区域地形抬升的原因；远景探测目标则为距其20千米处的疑似泥火山区域。如无意外，“祝融号”大概率将在火星这颗孤寂的红色星球上，进行长达数年至十数年的科考探索，相信最终行驶里程也会达到数十千米。
我国首个火星探测任务的“天问一号”所取得的巨大成功，使我们成为继美国之后，第二个在火星表面实现巡视探测的国家，并且是当今世界上唯一一个同时开展月球和火星巡视探测的国家。值得一提的是，它还开创性地一次性实现了绕、着、巡三大目标，在这看似大胆的背后，是10年前的筹划，千军万马为之奋斗6年挥洒的无数汗水。现在，“天问一号”已然踏上新征途，我们或将看到更多国产的高清火星表面照片！
科学家也有望获得更多新的线索，用于揭示火星地质地貌成因、地下水冰分布、远古海洋发展与消失、火星气候演化等问题。未来，“天问二号”火星采样返回任务已经立项，甚至载人登火，都将慢慢成为现实。果壳将持续带来中国深空探测进展，敬请期待。