【天文】宇宙飞船发射到火星的最佳时间是什么时候？
去往火星的旅行真的是每两年才能有一次吗？
旅行不是只能每两年一次 ， 但是在这段时间 ， 去往火星的条件要好得多 ， 这就使得其它时间没有被考虑 。
现在存在着不同类型的地球火星任务轨道 ， 它们并不都是在火星和地球接近时才产生的 ， 有许多的因素牵涉其中 ， 包括宇宙飞船是否会返航、是否有来自金星的引力协助、运载火箭的运行能力 。 然而 ， 对于典型的把探测器或探测车送到火星的单程任务 ， 我们确实是在火星和地球相当接近的时候发射的 。
火星和地球处于相对位置时彼此最接近 ， 然而我们实际上不想在这个时间点启动 ， 我们想在这之前发射 。
为了使所用的燃料最少我们想使用最小的能量转移轨道 ， 霍曼转移轨道做到了这一点 。 我们的宇宙飞船从地球轨道出发 ， 在霍曼转移轨道的近拱点通过燃烧加速进入椭圆形转移轨道 ， 抵达远拱点后再加速进入另一个轨道 ， 最终使宇宙飞船转移到火星轨道上 ， 最后在轨道上刚好形成180度 。
所以 ， 我们的目标是确定发射的时间 ， 这样当飞船到达目的点时火星也处于相同的位置 。 由于火星的轨道更大 ， 与地球相比移动相同角度的距离需要更多的时间 ， 这意味着当我们发射宇宙飞船时 ， 火星的位置需要处于地球之前 。
我们计算我们的宇宙飞船所处轨道的周期 ， 大约是520天 。 我们的宇宙飞船将运行半个轨道 ， 所以我们的旅程大约是260天 。 火星的公转周期是687天 ， 260天的时间里火星移动的角度为136度 。 这意味着发射宇宙飞船的最佳时间是——当我们发射宇宙飞船时 ， 火星与地球的夹角为44度(180-136度) 。 这意味着我们将在火星和地球最接近的三个月之前发射宇宙飞船 。
去火星的旅行真的只能每两年一次吗？如果确实如此 ， 那是为什么呢？
我在本科的第一年写了一篇关于这类事情的文章 ， 所以我主要使用我在这篇文章中研究得到的数据 。
这并不是说它每两年才会发生一次 ， 而是说 ， 要想使用霍曼转移轨道 ， 只能每两年一次 。 它是从第一个轨道开始 ， 通过两次加速变化 ， 最终使物体到达与出发点相差180度角的目标轨道 。 这就是事情的关键 。 你需要知道 ， 通过使用霍曼轨道 ， 从你的出发点到最终抵达火星的位置 ， 就会刚好处于太阳的另一边——出发点的对面 。 当然 ， 这里也有其它可以到达火星的轨道 ， 但它们更复杂 ， 而霍曼转移轨道只要求两次燃烧加速 ， 一次是为了离开第一个轨道 ， 一次是为了到达第二个轨道 ， 这样做最主要的好处之一是节约能源 ， 所以这也是最高效的太空旅行方式之一 。
计算时间和角度:
正如罗伯特·弗洛斯特所指出的 ， 通过这种方法从地球到火星的时间大约为260天 ， 地球需要在轨道上落后火星44度角 。 要解决这个问题 ， 你只需要使用开普勒第三定律来描述航天器从地球到火星的轨道 。
如果你取轨道半长轴 ， 它的立方将和轨道周期的平方成比例 。
开普勒第三定律:T^2=k(a^3)
如果我们使用一年的时间值和一个天文单位(AU)的距离值 ， 我们可以把k=1代入到上面的方程中得到:
开普勒第三定律:T^2=a^3 (以年和天文单位为一个单位)
现在 ， 让我们回到从地球到火星的霍曼转移轨道 ， 它的半长轴是地球绕太阳公转的轨道半径和火星绕太阳公转的轨道半径的和的一半 。 地球轨道半径为1AU ， 火星的轨道半径为1.524AU ， 所以霍曼转移轨道的半长轴为(1.524+1)/2=1.262AU ， 把这个值代入第二个方程 ， 得到T=1.42(年) ， 这是整个霍曼轨道的运行时间 ， 而要到达轨道最远的焦点即到达火星运行轨道 ， 只需要该时间的一半 ， 即0.71年 ， 也就是259天 。
至于这个44度角 ， 火星轨道周期为1.88年 ， 而前面通过计算我们可以知道航天器从地球出发到达火星的时间是0.71年 ， 该时间是火星轨道周期的37.8% 。 这就意味着 ， 在这0.71年里 ， 火星运行的角度为37.8%*360=136度 。 我们早些时候也提到过 ， 航天器从从出发点到最后到达火星 ， 刚好位于太阳的另一边即出发点到对立面 ， 所运行的角度为180度 ， 这就意味着当航天器离开地球时 ， 火星的轨道要提前44度才能形成完美的霍曼转移轨道 。
图1
图1-显示了霍曼转移轨道将航天器转移到火星的情况 。 可以看出 ， 火星在轨道上与达到点的角度为136度 ， 而地球与到达点的角度为180度 。
但这里存在一个问题就是 ， 火星和地球都被当做是在完美的圆形轨道上运行 ， 但事实并非如此 。
改善的方法:
问题是 ， 虽然地球的轨道非常接近一个完美的圆 ， 但火星的轨道要古怪得多 。
图2-显示了火星轨道的偏心率和不同区域的运行时间 。
从太阳到火星的距离在1.38AU到1.67AU之间 ， 相差了0.29AU ， 超过了地球到太阳距离的四分之一 ， 这是一个不小的数 。 这意味着发射时的时间角度会根据火星在轨道上所处位置不同而有很大变化 。 作为参考 ， 地球的轨道变化大约在0.98AU到1.02AU之间 ， 少了很多 。
所以你需要代入开普勒第三定律的数据是随着时间而变化的 ， 而不是一定为259天和44度 ， 这两个数只是平均值 。
没有在模拟中融入更多背后的细节 ， 我在论文中计算了在未来30年左右霍曼轨道可能成功运行的时间 ， 考虑了轨道大小的变化并把它们用图表表示出来 。
【【天文】宇宙飞船发射到火星的最佳时间是什么时候？】火星表面图源:NASA
总结:
所以没错 ， 要想到达火星 ， 如果使用霍曼转移轨道 ， 它确实只能每2年发生一次 ， 但是其他的太空旅行方法也是可以的 。 回顾图1 ， 如果要形成一个超过火星轨道的霍曼转移轨道 ， 该轨道依然会经过火星轨道 ， 只不过它与火星轨道的交点就不再是距离出发点180度的地方了 ， 这意味着只要做出相应的调整 ， 你其实可以在任意时间转移 。 霍曼转移轨道的好处就是航天器在每条轨道上的速度变化很小 ， 计算非常简单 ， 而在其它转移轨道上 ， 需要更多的能量 ， 计算也复杂得多 。
相关知识
火星 ， 是离太阳第四近的行星 ， 也是太阳系中仅次于水星的第二小的行星 ， 为太阳系里四颗类地行星之一 。 西方称火星为玛尔斯 ， 是罗马神话中的战神 ， 所以在英语中 ， 火星是罗马战神的意思 ， 通常被称为“红色星球”；古汉语中则因为它荧荧如火 ， 位置、亮度时常变动让人无法捉摸而称之为荧惑 。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
translate: 万木无一叶
author: quora
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