火星|为什么发往火星的航天器，要在同一时间段出发？
文章来自“科学大院”公众号
作者:贾瑛卓
在2020年7月 ， 有3颗航天器要从地球出发 ， 开始它们的火星探索之旅 。 为什么3颗航天器都选在同一时间段发射呢？人们经常说的“发射窗口”到底是怎么回事？
航天器是如何被发射到火星的？
要回答这些问题 ， 要从地球和火星的轨道说起 。
开普勒第一定律告诉我们：行星绕着太阳运行的轨道是椭圆形的 ， 太阳位于椭圆的一个焦点上 。 而地球和火星是太阳系里两颗行星 ， 它们以不同的公转速度在各自的椭圆轨道围绕太阳运行 。 地球的轨道是偏心率近似于0的椭圆 ， 公转周期是365个地球日 ， 而火星的轨道是偏心率为0.093的椭圆 ， 公转周期是686.98个地球日 。 因此 ， 地球与火星的距离无时无刻不在发生变化 ， 它们之间距离最近时有5500万公里 ， 最远时超过4亿公里 。 然而 ， 从地球飞到火星 ， 并不是在距离最近时直接飞过去就行 。
当航天器从地球发射时 ， 它的前进速度加上地球的引力使它沿弯曲的路径飞行 。 飞行过程中 ， 其他行星的引力也会影响它的行驶路径 。 航天器在发动机关闭的情况下越能滑行 ， 执行任务的成本就越低(火箭燃料并不便宜！) 。
发射到火星与此类似 。 航天器被给予驶向火星的初始动力 ， 然后关闭发动机并滑行(遵循牛顿第一定律) ， 直到接近火星 。 根据任务的不同 ， 航天器可能会减速进入火星轨道 ， 或在火星表面着陆 。
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（图片来源：NASA）
怎样发射效率最高？
虽然航天器从地球到火星可以沿着各种各样的弯曲路径飞行 ， 但其中一条被称为“霍曼转移轨道”(Hohmann transfer orbit)的路径消耗的能量最少 ， 因此被认为是效率最高的路径 。
德国工程师“瓦尔特·霍曼”在他1925年出版的著作《天体可达性》中 ， 首次提出“霍曼转移轨道”的方法 ， 即利用星体引力产生能量 ， 从而变换航天器的轨道 。 航天器采用“霍曼转移轨道” ， 从低轨道转移到高轨道过程中 ， 只需两次发动机点火推进 ， 所以会相对地节省燃料 。 因此 ， 航天器在通过霍曼转移轨道进行轨道转移时 ， 消耗的能量最少 。
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（图片来源：NASA）
但是 ， 如何保证航天器从地球出发 ， 通过“霍曼转移轨道”到达火星轨道时 ， 恰好火星就在那里呢？这就需要轨道工程师进行复杂的轨道计算 ， 在航天器从地球发射时 ， 地球、太阳和火星要处于合适的位置关系 。 这个地球、太阳与火星相对位置合适的时间段就被称为发射窗口 。 而发射窗口 ， 几乎每隔26个月左右 ， 也就是两年多一点的时间才会出现一次 。 因此 ， 我们看到一系列火星探测器都是差不多相隔26个月发射的 。
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国际火星探测代表性任务发射时间（图片来源：NASA、ESA、印度空间研究组织（ISRO））
2020年7月至8月是地球26个月一次的火星发射窗口 ， 到时候将有三个航天器从地球发射去往火星：阿联酋“希望”号火星探测器、美国“毅力号”火星车和中国“天问一号”火星探测器 。
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阿联酋科研人员对“希望”号进行测试（图片来源：阿联酋航天局）
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毅力号火星车渲染图（图片来源：NASA）
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中国天问一号火星探测器概念图（图片来源：国家国防科技工业局）
祝愿这些火星旅客一切顺利！
【火星|为什么发往火星的航天器，要在同一时间段出发？】作者单位：中国科学院月球与深空探测总体部、中国科学院国家空间科学中心
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