2020年7月23日，海南文昌航天發(fā)射場，長征五號遙四運載火箭搭載著天問一號火星探測器發(fā)射升空。這是中國自主發(fā)射的第一顆火星探測器，它將在大約7個月后到達火星附近，被火星捕獲后進入環(huán)火軌道，并進行著陸、巡視等火星科學探測任務(wù)。

你知道地球上的探測器是如何飛到火星上的嗎？為什么要經(jīng)歷7個月的時間？所謂的窗口期又是什么意思？這篇文章會告訴你答案。

1??霍曼轉(zhuǎn)移軌道

1925年，德國工程師瓦爾特·霍曼提出了一種非常節(jié)約燃料的變軌方式，后來美國和蘇聯(lián)的航天器都借鑒了這種方法，我們稱之為霍曼轉(zhuǎn)移軌道。

霍曼轉(zhuǎn)移軌道的基本原理非常簡單：假如一個航天器正在圍繞某天體O運動，最初沿著較小的1軌道運動，我們希望它來到較大的3軌道，即可以按照如下的操作進行：

• 首先，航天器在1軌道上某點A點火噴氣加速。由于航天器速度增加，萬有引力不足以將它束縛在原來的軌道上，航天器的軌跡就會向外展開，變成橢圓形軌道2。此時，航天器所處的A點就是橢圓形軌道的近地點。

• 隨后，關(guān)閉航天器的噴氣裝置，讓航天器憑借自身慣性從A點飛往B點。這個過程中由于克服中心天體的引力做功，航天器會自然減速。

• 最后，在航天器到達B點后，再次啟動發(fā)動機噴氣，航天器再次加速，它就會從橢圓軌道2跳躍到圓形軌道3上。隨后關(guān)閉發(fā)動機，在萬有引力的作用下，航天器就會在新的圓形軌道上圍繞地球運動了。

這種軌道轉(zhuǎn)移方式其實就是用一個橢圓軌道連接了兩個圓形軌道：如果想從小軌道轉(zhuǎn)移到大軌道，就需要兩次加速；反之，如果要從大軌道轉(zhuǎn)移到小軌道，就需要兩次減速?；袈D(zhuǎn)移軌道既可以實現(xiàn)航天器從地球軌道飛向其他行星，也可以實現(xiàn)被目標星球捕獲和降落的過程。只不過，在實際的航天飛行過程中，一般都是多次加速和減速后實現(xiàn)變軌的。

現(xiàn)在我們把霍曼轉(zhuǎn)移軌道用到天問一號上：在脫離地球后，天問一號在地球軌道上飛行，速度大約29.8km/s。通過加速，探測器速度變?yōu)?2.7km/s,從而進入地火轉(zhuǎn)移軌道。經(jīng)過大約260天飛行后，探測器來到火星軌道，此時探測器的速度是21.5km/s，再通過點火加速，讓探測器的速度變?yōu)?4.1km/s，就會進入火星軌道了。

2??衛(wèi)星發(fā)射窗口期

在我國發(fā)射天問一號之前兩天，阿聯(lián)酋的首顆火星探測器希望號也在日本發(fā)射升空。為什么這么多的火星探測器都一定要集中在這幾天發(fā)射呢？

這是因為：要順利實現(xiàn)登陸火星的計劃，必須讓探測器到達火星軌道時，火星也剛好運動到附近，這就對探測器發(fā)射的時機有一定的要求：地球、火星必須處于特定的位置才能夠發(fā)射，我們稱之為發(fā)射窗口期。地球圍繞太陽運動的軌道半徑大約1.5億公里，周期365天，火星繞太陽運動的軌道半徑大約2.3億公里，周期687天。地球運動的快，火星運動的慢，每隔780天，地球就會扣火星一圈，出現(xiàn)一次發(fā)射窗口期。

如何才能計算出窗口期呢？400年前，天文學家開普勒提出了行星運動的三大定律。其中第三定律說：

行星圍繞太陽運動軌道半長軸的三次方與周期的平方的比值是相同的。

行星圍繞太陽都是做橢圓軌道運動的，橢圓有長軸和短軸。長軸長度的一半就叫做半長軸a。如果我們把行星的軌道近似為圓形，那么圓軌道的半徑r就是半長軸。

通過開普勒第三定律，我們可以知道：軌道半徑越大的行星，它的周期也越大。比如：水星是軌道半徑最小的行星，因此周期周期只有88天。海王星軌道半徑最大，它繞太陽公轉(zhuǎn)一圈需要165年。?? 地火轉(zhuǎn)移軌道一端頂在地球軌道上，另一端頂在火星軌道上，所以它的長軸長就是地球半徑和火星半徑之和，半長軸為：

根據(jù)地球的公轉(zhuǎn)半徑、周期以及地火轉(zhuǎn)移軌道的半長軸，再結(jié)合開普勒第三定律，就能夠計算出探測器從地球軌道飛到火星軌道的時間了。

?橢圓形軌道的周期是520天，從地球軌道飛到火星軌道只需要經(jīng)過半個橢圓，所以需要大約260天的時間。在這260天中，探測器和太陽的連線會轉(zhuǎn)過180度角，火星和太陽的連線會轉(zhuǎn)過136度角，所以，在發(fā)射時，地球和火星的夾角必須是180-136=44度。這就是發(fā)射窗口期的含義。錯過了這個窗口期，就需要再等2年多，才能迎來下一個發(fā)射窗口了。

3??天問一號要干什么？

天問一號探測器到達火星附近后，要適時進行減速，從而被火星捕獲，從地火轉(zhuǎn)移軌道跳躍到環(huán)繞火星運動的軌道上。這個過程就像踩剎車，時機必須剛剛好。踩得輕了，探測器會飛離火星；踩得狠了，探測器就會撞到火星表面上。而且，踩剎車的時機只有那么一瞬間，成敗在此一舉。這是天問一號測試的第一項任務(wù)：中國人能否準確發(fā)射探測器到火星軌道上，并環(huán)繞火星運動。

如果第一項任務(wù)成功了，天問一號的環(huán)繞器和著陸巡視器就會發(fā)生分離，環(huán)繞器依然環(huán)繞火星運動，巡視器通過再次減速降落到火星表面上。

著陸器進入火星大氣的過程是一個非常驚心動魄的過程。由于高速運動，著陸器周圍的大氣會被電離，從而形成靜電屏蔽效果，隔絕巡視器內(nèi)外的一切聯(lián)系，這個過程稱為黑障。一切對軌道的修正只能依靠巡視器自己完成。世界各國已經(jīng)發(fā)射了15個探測器進入火星大氣層，成功著陸的只有7個。這就是天問一號的第二個實驗：驗證我國設(shè)計的航天器能否降落在火星表面上。

如果第二個任務(wù)也成功完成了，著陸器降落在火星表面上，它將釋放出火星車，在火星表面進行巡視探測。進行火星的土壤、大氣、磁場等方面的研究，這是天問一號的第三個實驗任務(wù)。如果繞、落、巡三個任務(wù)都能順利完成，我國將一次完成美國人25年走過的宇宙探索道路。

火星一直以來是人類十分向往的星球，因為火星的環(huán)境與地球最為接近，許多科幻小說都描繪了火星人的故事。小時候我看過一部電視劇《火星叔叔馬丁》，給我留下了十分深刻的印象。

載人航天之父齊奧爾科夫斯基說過：地球是人類的搖籃，但是人類不會永遠留在搖籃里。也許真的有一天，人類會在火星上建立殖民地，天問一號必將作為一個先行者被載入史冊。我們祝天問一號一路順風。

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