什麼是飛往火星經常使用的霍曼轉移？

2020-07-28 太空精釀

7月23日，我國在文昌發射場用長徵五號遙四火箭實施首次火星探測任務，成功將天問一號探測器送入預定軌道，開啟火星探測之旅。

什麼是飛往火星經常使用的霍曼轉移？

探測器進入太空後，核心目標之一是穩定飛在工作軌道。在逃離地球表面、進入工作軌道之前，需要進行軌道轉移過程。大家經常聽到的名詞，如初始軌道、停泊軌道、轉移軌道等，都與此相關。軌道轉移的方式，也有多種理論和工程應用，例如霍曼轉移、雙橢圓轉移、超同步轉移等。

對於大部分火星探測，尤其是帶有環繞器/軌道器任務，最終的工作軌道是環繞火星的橢圓軌道。從地球到火星至關重要，需要一條高效率高成功率的轉移軌道。


一、地火轉移軌道應該採取什麼邏輯？


人類運載火箭技術經過60餘年發展，最核心的推進方式依然是通過化學推進劑燃燒釋放化學能轉化為火箭的動能，但依然太「弱」了。由於推進劑燃燒後的噴氣速度和能量密度限制，一枚運載火箭運輸有效載荷到近地軌道的能力僅為總重的1-5%，隨著距離提升效率會進一步降低。例如，好奇號火星車和它用來降落火星的組合體總重約3.8噸，但推送它們的是重達531噸的宇宙神5-541火箭，地火運輸效率僅為0.7%。

什麼是飛往火星經常使用的霍曼轉移？

宇宙神5-541火箭©️NASA+中文注釋


對於有環繞器的任務，抵達火星制動後所剩推進劑也成為影響工作壽命的重要因素。且對於動輒數億千米的火星探測之旅，期間也要盡力減少推進系統工作次數，提高整個任務安全性和成功率。

最終，地火轉移軌道最重要的設計邏輯就是：最大限度節省推進劑，最大限度減少操作。


二、為什麼選擇霍曼轉移？


1925年，德國航天工程師瓦爾特·霍曼博士出版了圖書《Die Erreichbarkeit der Himmelskörper》，在書中提出了著名的霍曼轉移軌道。

什麼是飛往火星經常使用的霍曼轉移？

瓦爾特·霍曼博士（1880-1945）©️NASA


太陽佔據了太陽系超過99%的重量，因而太陽系內部天體運行和探測器轉移軌道的引力源是太陽，本文的描述均以太陽為參考點。地球和火星每隔2年2個月才有一次會合機會，在這個時間到來前幾個月，探測器已經從地球出發，瞄準的是幾億千米外、幾個月後火星會抵達的位置。假設地球和火星均是純圓軌道，在出發時，探測器需要達到32.7千米/秒的速度，超過了地球本身的速度（29.8千米/秒）。在抵達時，探測器速度為21.5千米/秒，低於火星運動速度（24.1千米/秒）。整體上是半個橢圓，連結了地球軌道和火星軌道。

什麼是飛往火星經常使用的霍曼轉移？

火星探測霍曼轉移軌跡示意圖


因此，整個方案理論上僅需要兩次加速：第一次加速，切入霍曼轉移軌道，逃離地球；第二次加速，切出霍曼轉移軌道，趕上火星。由於火星引力加速和大部分任務目標是環繞火星等原因，最後一次實際上是制動工作。飛行過程中，為應對外力可能造成的軌道偏移，也僅需推進系統短暫工作微調，絕大部分時間自由飛行。整體上，方案非常簡單，對推進系統工作能力要求很低，使用的推進劑也很少，完美符合上述要求。

當然，霍曼轉移也有代價：距離和時間。一條標準的軌道可以長達6億千米，需要飛行7個月左右時間。實際情況下可能更長更久，例如曼加裡安號飛了近8億千米，耗時10個多月。但這屬於可以接受的「不足」，例如奧德賽號抵達火星時有足夠推進劑剩餘，它已經工作了19年，還在正常工作，霍曼轉移的代價已經可以忽略不計。

什麼是飛往火星經常使用的霍曼轉移？

奧德賽號的霍曼軌道轉移方案用時6個月17天，總任務時長已超過19年©️NASA


更重要的是，即便採取其他方案也無法真正解決探測火星的距離和耗時問題，霍曼轉移依然是總體最優。目前，幾乎所有的最終目標為火星探測任務都使用了霍曼轉移，或者由它改進而來的方案。


三、霍曼轉移之外


採用標準霍曼轉移軌道時，探測器離開地球的速度和方向都是確定的。如果火箭能力較強，尤其是最後一級或上面級能強力工作，同時有些探測器本身攜帶很多推進劑、且不在乎抵達火星後的剩餘，例如不切入環繞火星軌道、抵達後立即降落的好奇號、洞察號等任務，則可以採取改進的快速轉移軌道設計方案，盡力縮小飛行距離和時間。

還有一些推進技術可以應用。隨著深空探測中離子電推進技術的逐漸成熟，它能夠長期穩定工作，推力雖小，但能通過聚沙成塔的效果優化軌道。冷戰時期，蘇美也研發了幾型核動力發動機，有潛力用在火星探測上，但最終並沒有使用。

什麼是飛往火星經常使用的霍曼轉移？

希望號在努力飛行5年後，引力助推方案不幸落敗©️NASA


最後，還有可以藉助其他天體引力的轉移軌道。探測器第一站並不是火星，它可以藉助月球、地球、金星等引力源加速，曲線前往火星。亦有藉助先奔金星而去的借力方案，衝點航線。它們都有各自的優勢，不過都會導致整體控制導航更為複雜，增加了一定的失敗風險。例如，日本在1998年發射的希望號火星探測器多次採用地球和月球引力助推，但5年後很不幸失敗了。

目前來看，霍曼轉移依然是將長期伴隨人類火星之旅的最優方案。


（本文已首發國家航天局官網）

相關焦點

  • 利用太陽引力的霍曼轉移軌道，天問一號完成第二次軌道修正
    如果火星探測器在地火轉移軌道近地點有1米/秒的速度誤差或1千米的高度誤差，飛到火星附近時都將產生10萬千米的位置誤差。軌道修正是通過分布在地球表面的深空測控網實現的。該網絡一般由3個在全球彼此相隔120°的地面通信站組成，天線直徑達64至70米。
  • 天問一號，「大鵬展翅」飛奔火星，一文讀懂霍曼轉移軌道
    ，它是用的什麼動力在「地火軌道」上規矩地飛行呢？這個軌道就是「霍曼軌道」，又稱為「霍曼轉移軌道」，是由德國物理學家瓦爾特·霍曼在1925年提出。是通過兩次調整探測器軌道，加速後的探測器就會模擬小行星軌道的慣性力，達到飛向目標星球的目的，大大地節省了能耗。
  • 航天知識丨霍曼轉移軌道與發射窗口
    小夥伴們可以看到，離我們當前時刻最近的是位於圖片上方的2020年10月6日，那麼可能有的小夥伴就有疑問了：去火星怎麼不挑離火星最近的時候去，怎麼提前了兩三個月呢？圖中標註的距離確實是地球離火星最近的距離，但其實火星探測器要走的卻是「最遠的距離」。霍曼轉移軌道是一種改變太空飛行器軌道的方法，途中只需兩次引擎推進，相對地節省燃料。這種方法由德國物理學家瓦爾特·霍曼於1925年提出。
  • 「天文一號」如何到達火星？霍曼轉移軌道怎麼保證寂寞旅途不出軌
    如今，我國也在積極發展太空領域的探索，除過發射衛星火箭外，近日已經將第一個火星探測器「天問一號」發往火星，經歷七個月的漫長路途之後，天問一號將到達火星表明，實現我國在深空探測領域的技術跨越。那麼「天問一號」到底如何運行到達火星的呢？
  • 行星探測器的旅程:霍曼軌道與引力彈弓
    顯而易見的是，探測器要想脫離地球的引力圈，併到達目標天體，肯定是燃料越多越好，不過，由於技術的原因，發射升空的探測器其大小和重量都是有限制的，而燃料無疑就會佔據大量的體積與重量，所以我們的目標很簡單，那就是消耗的燃料越少越好，為了達到這個目的，科學家就要藉助「霍曼轉移軌道」了。
  • 孫悟空一個筋鬥十萬八千裡,飛往火星需要多久?
    網絡上什麼稀奇古怪的問題都有，這不，今年世界上掀起了一股探測火星的熱潮，先後有是四個國家或機構宣稱要發射探測器前往火星，中國的「天問一號」已經於7月23日成功發射出去了，美國、歐空局、阿拉伯聯合大公國的發射任務也在緊鑼密鼓進行中。由此，人們把今年航天稱為「火星年」。
  • 宇宙飛船發射到火星的最佳時間是什麼時候?
    火星和地球處於相對位置時彼此最接近，然而我們實際上不想在這個時間點啟動，我們想在這之前發射。為了使所用的燃料最少我們想使用最小的能量轉移軌道，霍曼轉移軌道做到了這一點。我在本科的第一年寫了一篇關於這類事情的文章，所以我主要使用我在這篇文章中研究得到的數據。這並不是說它每兩年才會發生一次，而是說，要想使用霍曼轉移軌道，只能每兩年一次。它是從第一個軌道開始，通過兩次加速變化，最終使物體到達與出發點相差180度角的目標軌道。這就是事情的關鍵。
  • 今年火星距地球最近時為6300萬公裡,天問一號為啥要飛6個半月?
    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。
  • 飛往火星
    飛往火星是一款模擬火箭飛行的小遊戲，遊戲中為玩家準備了很多工具和材料，玩家可以自己選擇製造火箭，火箭製造好之後，玩家就要試著將火箭發射飛往太空，奔向火星，在奔向火星的過程中，玩家會遇到各種各樣的障礙物和危險陷阱，玩家需要操控火箭不斷的躲避障礙物，避免危險順利到達指定的位置，獲得勝利。
  • 火星探測器並不是在地球和火星距離最近時出發的
    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。
  • 為什麼發往火星的太空飛行器,要在同一時間段出發?
    文章來自「科學大院」公眾號 作者: 賈瑛卓 在2020年7月，有3顆太空飛行器要從地球出發，開始它們的火星探索之旅。為什麼3顆太空飛行器都選在同一時間段發射呢？人們經常說的「發射窗口」到底是怎麼回事？
  • 我們為什麼要探測火星？
    上面我們也說了，地球和火星的相對位置在時刻變化，我們不能有「刻舟求劍」的錯誤思維。其實，早在1925年，有一位名叫霍曼的工程師就提出了一種讓太空飛行器變換軌道的最優方案，後來被稱為「霍曼轉移軌道」。具體到從地球飛往火星，這是一種連接地球軌道與火星軌道的橢圓軌道。
  • 從地球到火星應該怎麼走,是走直線嗎?分析過後結果有些意外
    儘管，探測器從地球發射出去以後，在飛往火星的途中，隨著軌道升高，其速度逐漸降低的，但是在靠近火星被火星引力俘獲，隨後進入火星大氣層的過程中，探測器會再次被加速，其速度會高達20倍的超高音速。
  • 火星，明年見
    地球距離火星一般都非常遠，最遠可遠至4億千米，最近時也會超過5000萬千米，探測難度很大。人類現有的以化學燃料為核心動力的火箭性能依然有限，遠遠比不過科幻作品中動輒以極快速度運動的飛船和火箭，人類並不能隨心所欲的不在乎地球和火星之間距離。
  • 為什麼最近各國扎堆去火星？一文講清火星發射窗口
    要找出火星發射窗口，我們直觀上的第一考慮是火星和地球之間距離最近的時刻，即「地火最近」。每隔大約26個月，地球會行進到太陽和火星之間，連成一條直線，稱作「火星衝日」。在這段時間，每當太陽剛從西邊落下，火星就從東邊升起。而每當太陽從東邊升起，火星又恰好從西邊落下，因此整夜可見。並且，此時火星在夜空中十分明亮，是觀賞火星的最好機會。
  • 我國「天問一號」發射升空，人類史上有哪些探測器成功登陸火星
    按照計劃，我們的火星探測器將會在2021年2月到達火星，並釋放著陸器將火星車送上火星表面，一次完成環繞火星、著陸火星、巡視火星三大步。這是我們史無前例的壯舉，所以備受我們的關注，我們也期待火星探測器從火星發回火星的數據。
  • 天問一號探測器距離地球超1億公裡 預計春節前後被火星捕獲
    目前天問一號飛行狀態良好，受天體運動規律影響，火星與地球距離在0.5億公裡至4億多公裡周期性變化。天問一號探測器到達火星附近時，距離地球約1.9億公裡。天問一號自7月23日發射以來，已成功完成地月合照、探測器「自拍」、三次中途修正、一次深空機動、載荷自檢等工作。
  • 火星到達離地球最近的位置，天問一號飛到哪裡了？
    10月6日火星行至距地球最近點，只有6,200萬公裡，10月14日火星衝日，即火星、地球、太陽連成一線，衝日時火星最亮，最適合觀測。這對於火星最遠離地球約4億公裡，最近距離地球約6000萬公裡來說，走的距離是不是有點長?那麼為什麼要走這麼長時間呢？這就要說說地火之間的霍曼轉移軌道。
  • 胖五讓中國的火星探測有了可靠的交通工具
    我國首次火星全球遙感與區域巡視探測任務已正式立項，計劃於2020年七八月間在中國文昌航天發射場，由長徵五號運載火箭將火星探測器直接送入地火轉移軌道，火星探測器巡航飛行約7個月後被火星捕獲，一次實現「環繞、著陸、巡視」3個目標。
  • 「天問一號」如何到達火星
    進入太空後「天問一號」將會用霍曼轉移軌道從地球到達火星。霍曼轉移軌道是探測器在從一個天體的公轉軌道轉移到另一個天體的公轉軌道時，消耗最少的能量。「天問一號」將由長徵五號發射，由於長徵五號的運載能力非常的大，可以直接將天問一號送入地球和火星的霍曼轉移軌道而不經過變軌。這樣可以節省不少探測器的燃料。