為什麼中國選擇在7月份向火星發射飛行器？

2020-08-26 老粥科普

火星是距離地球最近的太陽系行星之一，它最近的時候距離我們5500萬公裡，最遠時則超過4億公裡。相比之下，地球與金星的距離則要近許多，最近的時候大約是3820萬公裡，最遠時大約是2.5億公裡。

我們向其它星球發射太空飛行器，當然是走的距離越少越好。有朋友說了，之所以大家都在2020年7月份發射探測器，是因為這時候地球距離火星最近。

啥時候去火星既快又省油？

果真是這樣嗎？為什麼說這隻答對了一半？我們今天就來分析分析。

火星之窗

2020年7月，地球人等來了一次「火星窗口」。阿聯在美國的幫助下研製了「希望號」探測器，計劃最早於7月中旬藉由日本運載火箭搶先發射升空；緊接其後的是中國「天問一號」火星探測器，它將由長徵五號運載火箭發射；7月底，美國的「火星2020」將啟程前往火星。原本歐洲航天局也計劃在這個月發射新的「ExoMars 2020」，受新冠疫情的影響被迫推遲，看樣子歐洲人要把名字改成「ExoMars 2022」了，因為前往火星的發射窗口每兩年多才打開一次，過了這個村就沒這家店了。

為什麼射一次火箭要等兩年？隨時發射不香嗎？這其實是個科學問題。

火星之窗兩年多才打開一次

我們知道火星與地球一樣都是太陽系的行星，它們在萬有引力的作用下圍繞著太陽旋轉。地球繞太陽轉一圈的時間是365.256天，我們稱為「一年」；火星距離太陽更遠，它運行的速度更慢、跑的路程也更長，所以火星繞太陽轉一圈需要687個地球日，也就是說火星上的一年差不多是我們的23個月。

地球與火星的軌道與最近距離

由於大家都在繞太陽運轉，所以每次兩顆星球最接近的時間大約間隔26個月。

那麼，我們在地球與火星最接近的時候發射火箭，送探測器去火星，是不是最快呢？當然不是！地球和火星時刻都在運動中，太空飛行器從地球飛往火星最近的距離也需要5500萬公裡，太空飛行器飛行的速度是有限的，火星自然不會呆在原地等你。以地球與火星最接近的時間點作為發射窗口，無異於刻舟求劍。

射擊選手在打運動目標時，要根據目標的運動規律設置一個「提前量」，他會瞄準目標將要到達的某個「點」，這樣當子彈飛到時，會正好與目標相遇。科學家也需要根據天體的運動規律以及太空飛行器自身的情況來計算發射時間，以確保太空飛行器到達火星軌道時能剛好遇到火星並且被火星捕獲。

這個發射時間就是火星的發射窗口。

火星的發射需要「打提前量」

確定火星的發射窗口需要考慮哪些因素呢？

首先，科學家需要精確計算地球與火星的運行軌道。地球繞太陽運行的軌道近似於圓，地球軌道偏心率為0.0167；相比之下，火星的軌道偏心率達0.0934，它更加橢圓；並且火星的軌道傾角與地球的黃道面還存在1.85°的夾角，因此計算地球與火星之間的相對運動更加複雜繁瑣。

火星與地球軌道面不同，太空飛行器飛行軌道也要相應調整

其次，地球運行的切線速度比火星要快，平均而言，地球的軌道速度是29.78公裡/秒，而火星平均只有24公裡/秒。地球比火星更快，它會將這個速度賦予太空飛行器，因此太空飛行器需要提前發射去「追」火星，而如果當地球與火星距離最近時再發射，太空飛行器就飛過頭了。

第三，在太陽系中，地球的軌道比火星低，它更接近太陽，一個太空飛行器想要從地球飛到火星，它首先需要擺脫地球的引力，其次還需要克服太陽的引力，所以運載火箭賦予太空飛行器的初速度Δ-v既要保證它能飛離地球，又要剛好被火星的引力捕捉，這需要經過極精確的計算，然後通過運載火箭來實現。

最後，人類總是希望將最大的太空飛行器送到太空去完成更多的科學探測任務，但火箭的運載能力是有限的，為了保證太空飛行器得到足夠的初速度，探測器的重量會受到限制。當然，我們也可以利用地球重力阱的跟隨效應來一點點加速，用時間換取更快的速度，以實現「小馬拉大車」，這意味著火箭的發射時間進一步提前，阿聯的「希望號」探測器應該就是這樣一個例子。

火箭推力不夠就只能提前發射兜圈子加速

舉個例子

2018年5月5日，694千克重的美國「洞察號」火星探測器迎來了火星發射窗口，它由Atlas-V運載火箭發射升空，13分16秒後進入轉移軌道，93分鐘後探測器正式進入火星巡航軌道。

在經歷6.5個月的長途飛行、穿越了4.84億公裡後，「洞察號」終於抵達火星並成功著陸。

「洞察號」的飛行軌跡

從「洞察號」的火星之旅我們可以看出：由於探測器本身的質量不是很大，因此強大的Atlas-V運載火箭可以賦予它高達32.5公裡/秒的初速度Δ-v，即便如此太空飛行器也飛行了6個半月的時間。在近5億公裡的漫長飛行中，由於太陽引力的作用，太空飛行器的Δ-v不斷下降，當它到達火星軌道時僅有22.9公裡/秒，這個速度可以很順利地被火星引力捕捉。

回顧

航天發射是一門科學，當我們計劃向火星發射探測器時需要考慮許多方面：地球與火星的軌道參數以及相對位置、地球能夠賦予太空飛行器的初速度以及太空飛行器到達火星時的Δ-v、運載火箭的發射能力等等。

綜合以上所有的因素，科學家們會計算出精確的發射時間，這便是太空飛行器的發射窗口。

發射窗口都選擇在最近距離之前的幾個月

每隔大約780天，地球與火星會達到最近距離，由於地球軌道速度更快，向火星的發射窗口會選擇在兩星交會之前的幾個月，這樣太空飛行器才能靠「打提前量」準確進入火星軌道並被火星捕獲。

大家之所以選擇在2020年7月中下旬向火星發射探測器，正是因為火星與地球的距離正在拉近，這使得太空飛行器可以用最少的燃料和最短的時間飛抵火星。

你明白了嗎？

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