一般來說，火星探測器發射是在火星距離地球比較近的窗口發射，今年是地火相衝年，也就是有一次比較近的窗口，最近時距離地球只有6300萬公裡。
2020年7月23日12時41分，長徵五號遙四運載火箭（暱稱「胖五」）文昌航天發射場點火升空，將中國首次火星探測任務的「天問一號」探測器送入軌道，開啟了中國深空之旅的首航。那麼這次「天問一號」的徵程有多長呢？請聽時空通訊細細道來。
航天發射必須遵循的最基本常識就是：三個宇宙速度。
這三個宇宙速度是：第一宇宙速度為7.9km/s，叫環繞速度。達到這個速度，太空飛行器就不會被地球引力拽下來，也脫離不了地球引力，現在的所有人造衛星、空間站等地球軌道太空飛行器，都是遵循這個發射速度；
第二宇宙速度為11.2km/s，叫脫離速度。達到這個速度就可以脫離地球引力，飛往別的行星，如火星探測器發射必須達到這個速度；
第三宇宙速度為16.7km/s，是在地球軌道脫離太陽引力的速度，又叫逃逸速度，與本文沒多大關係，這裡就不多扯了。
從三個宇宙速度來看，到火星每秒必須達到11.2公裡的速度。如果是在地火相衝的最近發射窗口發射，今年最近時距離為6300萬公裡，即便按7000萬公裡，按照每秒至少11.2公裡的速度，就可以算出到達火星的時間為：70000000/11.2/3600/24≈72天。
因此到火星只要飛72天多點，也就是兩個多月的時間就到了。可航天局發言人劉彤傑宣稱，天問一號地火轉移飛行約需6.5個月，也就是約200天左右才能到達，這又是為什麼呢？
原來飛火星並不是直來直去那麼簡單。
我們知道，太陽系所有行星都在自己的軌道圍繞著太陽公轉，這些軌道都是一個個環狀。如果從靠太陽最近的水星算起為1環，那麼金星就是二環，地球就是三環，火星就是四環，然後是木星、土星、天王星、海王星，類推為五六七八環。
由此我們可以看出地球與金星和火星是左右鄰居，是靠得最近的兩個星球。但地球和火星兩個星球在自己軌道上以不同的線速度公轉，地球公轉線速度為29.8km/s，火星公轉線速度為24.32km/s，這樣兩顆行星就不會老在相同的距離。
人們把行星運行到太陽同一側靠得最近的時候就叫「衝」，各自在太陽不同的側面最遠時，就叫「合」。地球和火星相衝時，一般在6000萬公裡左右，相合最遠時約4億公裡左右。
計算行星相衝間隔時間公式為：1/S=1/E-1/T。
式中，E是地球的公轉周期，T是行星軌道周期，S是地球與這顆行星的會合周期。這個公式可以計算地球與各大行星的相衝時間間隔。代入地球和火星公轉周期：E（地球）=365.25天，T(火星）=686.98天，可求出地球和火星相衝時間間隔為：S=779.93天。
因此發射火星探測器，最節省燃料旅途最短的就是地火相衝的年份。今年就是相衝年，地火最近距離時為6300萬公裡。但這並不等於發射的太空飛行器只要飛行6300萬公裡就能夠到達火星，因為地球在走，火星也在走，而且還要本著節省燃料的原則走最佳路線。
航天發射遵循的最重要原則是節省燃料。
這是因為迄今為止，人類發射太空飛行器除了把太空飛行器送上天，就再也帶不了更多的燃料。
由於脫離地球引力需要巨大能量消耗，而且這種消耗主要用在火箭自身質量和燃料消耗質量上，真正的有效載荷佔比重很小。比如上世紀美國發射登月飛船採用土星五號火箭，起飛重量達到3038.5噸，進入月球軌道的有效載荷才有45噸，也就是說85%以上的重量都是用於發射。
而我國發射「天問一號」用的長徵五號遙四運載火箭（暱稱「胖五」），發射重量達到870噸左右，而進入火星轉移軌道的「天問一號」只有5噸左右，其中載荷的90%以上都是用於火箭本體和燃料。只有5噸的「天問一號」還能夠攜帶多少燃料？
發射進入軌道的太空飛行器如果要攜帶更多的燃料，火箭攜帶的發射燃料就需要更多，這樣起飛重量就成指數級增加，這就是一個極大的矛盾。所以深空探測器的發射最重要的就是本著最節省燃料的原則。
由此，探測器就不能完全依靠自身攜帶的燃料來提速和減速，而是要充分利用天體引力彈弓效應，並且要選擇一個節省原料的最佳路線。
飛往火星探測器一般採用的都是霍曼轉移軌道方式。
目前飛往火星有三種路線方式，即霍曼轉移軌道、快速合點航行和衝點航行。快速合點航行行程似乎是最短的，也是燃料消耗最大的，一般很少採用；衝點航行是發射的太空飛行器圍繞著太陽轉了一個圈，看起來當火星到達地球的衝點最近時會合著陸，但其實航程並不短；現在一般採用的是最節省燃料的霍曼轉移軌道，但這種航程都在4億公裡以上。
在太空動力學中，霍曼轉移軌道是一種變換太空船軌道的方法，途中只需要兩次引擎推進，將太空飛行器從低軌道送往高軌道，到達霍曼轉移軌道。這樣探測器就由橢圓軌道的近拱點抵達遠拱點，再瞬間加速，進入火星目標軌道。
實際上霍曼轉移不但可以升高軌道，也可以降低軌道。當探測器到達火星被火星引力捕獲後，就可以通過霍曼轉移降低軌道，到達理想的繞火星軌道。這種轉移是通過減速實現的。
霍曼轉移遵循的原理見下圖。
這樣實際上飛往火星的時間和航程就大大延長了。
我國發射的天問一號採用的大概就是霍曼轉移方式，其行程與2018年NASA發射的洞察號火星探測器差不多，費時也差不多。洞察號於2018年5月5日發射，11月26日到達，用時206天，行程4.85億公裡，平均時速為9.8萬公裡，秒速達到27公裡。
因此看起來，深空探測器的發射遠遠不是達到第二宇宙速度那麼簡單，而是超過了第三宇宙速度了。也就是說，前往火星的探測器飛行速度最低要達到11.2km/s，而實際上在徵途中遠遠不止這個速度。
那為什麼這些探測器沒有飛出太陽系去呢？這就是深空探測器在發射和管理過程中，需要嫻熟掌握加速和減速技術了。而霍曼軌道轉移技術的控制就是非常重要的一項技術，而且還要利用引力彈弓效應。
火星可不比月球，行程距離是月球的近1000倍，導航和精準控制技術要求很高，提升軌道和降低軌道拱點要把握精確，稍有差池，探測器就會不知所蹤或撞毀。這也是一些國家發射了很多火星探測器無一成功的原因，實際上我國第一艘火星探測器「螢火」號就是因搭載的俄羅斯探測器失敗而失敗的。
在此祝願天問一號按時到達目標。歡迎討論，感謝閱讀。
時空通訊原創版權，侵權抄襲是不道德的行為，敬請理解合作。