探測火星為何各國都選擇最強運載火箭？

2020-08-23 太空精釀

運載火箭是人類擺脫地球引力的起點，也是整個人類航天最為重要的基礎，它的能力往往決定一個國家航天能力的上限。火箭的本質是能量轉化的工具：將推進劑中蘊藏的化學能，轉化為火箭和有效載荷的動能，尤其是有效載荷最終的動能/速度。

牛頓（左）和克卜勒（右）等奠定了航天探索的軌道動力學理論基礎

牛頓、克卜勒等先驅為我們推演出了萬有引力、天體運行規律等理論，奠定了人類航天的重要基礎。其中，開展航天探測的一個重要指標是速度，也因而出現了宇宙速度的概念，因星球而異。對地球而言，人類航天經常要面對的是三大宇宙速度。

第一宇宙速度：7.9千米/秒。這個速度可以用生活經驗方便解釋：如果你把石子扔得越快，它就需要更長時間才會落到地上，也會飛得更遠。那麼，假如它的速度足夠快，而地球本身又是圓的，就會「永遠在往下落，永遠無法落到地球上」。如果這一切發生在地球表面，速度是至少7.9千米/秒。

三大宇宙速度是人類航天探測的三道鴻溝

第二宇宙速度：11.2千米/秒。第一宇宙速度的目標是穩定環繞地球，但太空飛行器依然會被地球引力牢牢束縛著。如果想徹底擺脫地球的影響，哪怕最次也是逃離到無限遠的地方速度趨近0，但至少不會返回地球，這是第二宇宙速度，又叫逃逸速度。太空飛行器一般是先實現第一宇宙速度，環繞地球，再變軌進一步加速。

第三宇宙速度：16.7千米/秒。擺脫了地球之後，太空飛行器才會明白誰才是太陽系真正的霸主：太陽！地球雖然很重，但太陽質量相當於地球的33萬倍，是整個太陽系99.9%的質量所在，它的引力困住了所有圍繞它運動的行星、矮行星、小行星、彗星、星際分子雲等。如果擺脫它，以太陽為參考在地球附近需要達到42.1千米/秒。即便地球賜予了龐大的慣性（29.8千米/秒），依然需要16.7千米/秒的額外相對地球速度。飛出太陽系的星際使者都需要靠木星等其他行星引力助推才能逃離。

第四宇宙速度：超過525千米/秒，還是基於人類已經了解到的銀河系計算而來。這個速度對目前的人類航天而言幾乎毫無意義，因為人類目前連逃離太陽都是奢望。例如，新視野號是罕見的實現了出發時就達到第三宇宙速度的人類星際使者，但代價是宇宙神系列最強的V-551火箭（重達569噸）全力推送僅重478千克的它。

「冥王星使者」新視野號發射是典型的「大馬拉小車」©️NASA

綜上，太空飛行器的火星探測之旅，至少需要完全克服地球引力，超過第二宇宙速度。但它不需要達到第三宇宙速度完全克服太陽引力，只需在抵達火星之前別被太陽給「拽」回來即可，抵達時火星引力會將它「收入懷抱」。但總體上，探測火星的火箭已經要求極高，基本都是各國最為強力的火箭系列。即便如此，有效載荷佔火箭總體質量的比例都在1%以下，這是人類航天夢想的巨大代價。

近期世界各國火星探測任務的主力火箭

在實戰中，為徵服火星，世界各航天大國都拿出了自己的火箭王牌力量。俄羅斯使用過質子K、質子M、天頂、聯盟FG，還都需要帶上各自的上面級。美國使用過泰坦3、德爾塔2和宇宙神5等系列，印度使用PSLV，日本使用H-IIA，商業航天太空探索科技公司也用獵鷹重型火箭發射過實驗載荷到火星軌道。中國也不例外，近期要使用長徵系列最強的長徵5號火箭實施火星探測發射任務。

即便如此，火箭只是探測器逃離地球的起步，後續的探測火星依然非常艱難，人類從1960年代起進行了近50次探測，成功率僅為一半左右，人類仍需不斷努力！


（本文已首發國家航天局官網）

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