火星探測器並不是在地球和火星距離最近時出發的

2020-12-03 樂視界

我們經常能在關於火星探測方面的文章中看到:為什麼火星探測器要每隔26個月才會有一次發射時機?那是因為每隔26個月火星與地球距離最近,在火星和地球距離最近時發射探測器可以節省燃料 ,到達火星的時間最短。其實這是錯的,探測器並不會在火星與地球距離最近時去火星而是在火星與地球最近距離前一段時間開始去火星。

現在火星探測器到達火星的軌道是霍曼轉移軌道。霍曼轉移軌道(或譯為郝曼轉移軌道,Hohmann transfer orbit)是一種變換太空船軌道的方法,途中只需兩次引擎推進,相對地節省燃料。此種軌道操縱名稱來自德國物理學家瓦爾特·霍曼,他於1925年出版了相關著作。從地球到火星的霍曼轉移軌道如下圖

從圖中我們可以清楚地看到探測器出發時地球與火星的距離並不是最近的,地球與火星距離最近的時間是在探測器出發一段時間後。這是因為探測器在圍繞太陽做橢圓運動,火星圍繞太陽做圓周運動(其實火星圍繞太陽轉動的軌道也是橢圓)。探測器從出發到達火星的這段時間其一直在火星軌道的內側運行,我們在高中物理中關於天體運動中就可以學到:不同物體或同一物體在繞同一個中心天體運動時,靠近中心天體的角速度大於遠離中心天體的角速度。由於探測器在到達火星的這段時間其和太陽距離一直比火星與太陽的距離近,所以探測器的角速度大於火星的角速度也就是探測器轉圈的速度快。探測器出發時要讓火星一些角度(相當於探測器讓火星先跑一會),這樣由於探測器的角速度大於火星的角速度探測器就可以追上火星。如果探測器在地球和火星距離最近的時候或之後出發,探測器在一個圓周內就會一直在火星的前面。

其實每隔26個月才有一次發射時機的原因是霍曼轉移軌道的遠日點正好與火星的公轉軌道相交。當探測器到達橢圓軌道的遠日點時,火星應該恰巧就在那裡。這樣的機會大約每26個月出現一次,如果錯過則只能再等26個月。

今年的火星衝日時間是10月6日,即今年火星和地球距離最近的時間是10月6號。今年火星探測器的發射時間在7、8月,最佳發射窗口在7月17日至8月5日。探測器到達火星的時間在明年的2、3月。火星探測器發射時間可以提前幾天但不能晚幾天,提前幾天可以讓探測器在地球軌道上多運行幾天,晚幾天就錯過了最佳到達火星的路線。

中國的「天問一號」發射時間據說是在7月20日至7月25日。美國的「毅力號」已經多次推遲發射時間,最新的發射時間是不早於7月30日。祝福「天問一號」火星之行順利。

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