火星探测器|何时发射火星探测器？
被誉为航天之父的苏联科学家齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）曾写过一句激励人类探访其他星球的话：“地球是人类的摇篮 ， 但人类不能总生活在摇篮里 。 ”1957年10月4日 ， 苏联成功发射第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号（Sputnik）,它标志着人类进入太空时代 。
在成功发射地球卫星之前的1925年 ， 德国工程师霍曼（W. Hohmann）就计算出从地球到其他天体的最节省能量的路线 ， 被称为霍曼转移轨道 。 从地球到火星的霍曼转移轨道是一条从地球到火星的最节省能量的飞行路线 。 从地球出发的探测器只要沿着地球火星霍曼转移轨道飞行 ， 最终就能到达火星 。 但发射火星探测器的日期不能随意选择 ， 要选在发射窗口 。 发射窗口为火星冲日前2-3个月 。
什么是火星冲日呢？先来了解火星的运行情况 。
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火星冲日示意图
01
古人的困惑
如果你在夜空中找到火星 ， 就会看到它是一个发着红光的小亮点 。 如果长时间观察 ， 就会发现火星有时在恒星间向东移动 ， 被称为顺行；有时向西移动 ， 被称为逆行 。 在顺行、逆行转换的时候 ， 相对恒星静止不动 ， 被称为留 。
古人把火星称为荧惑 ， 就是因为它看上去颜色荧荧如火 ， 在恒星间有着令人困惑的行进方式 。 现在我们已经明白了为什么火星会不断地在恒星间顺行、留、逆行、留再顺行 。
【火星探测器|何时发射火星探测器？】我们看到的恒星都是银河系的成员 ， 距离地球十分遥远 。 虽然恒星也在运动 ， 但在千万年里 ， 生活在地球上的人类几乎看不出它们之间的相对位置有什么变化 ， 所以才称它们为恒星 ， 就是彼此间相对位置不变的星 。
火星、地球都是太阳系中的行星 ， 都绕太阳公转 。 火星在地球的外面绕太阳运行 ， 公转周期比地球长 。 就好像两个运动员在绕着太阳赛跑 ， 地球在里道 ， 火星在外道 。 地球跑得快 ， 有时在火星后面追赶火星 ， 有时超过火星 ， 有时与火星并驾齐驱 。 但我们不觉得自己在移动 ， 而是看到火星在遥远的恒星间奇怪地游荡 。
02
火星合日
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图1火星和地球围绕太阳运动 ， 及火星合日示意图 。
地球、火星时刻绕太阳公转 ， 但公转周期不同 。 地球的公转周期为365天 ， 火星为687天 ， 地球差不多跑两圈 ， 火星才跑一圈 。 所以火星、地球、太阳之间的位置关系一直在改变 ， 火星与地球之间的距离也不断变化 。
当火星和地球处在太阳两边 ， 地球、太阳、火星几乎排列成一条直线的时候 ， 从地球上看去 ， 火星和太阳好像重合在一起 ， 所以称为火星合日 。
火星合日时 ， 火星同太阳一起升起 ， 一起落下 ， 所以整晚都看不到火星 。
火星合日时 ， 火星与地球之间的距离最远 。
03
火星冲日
明白了火星合日 ， 就容易理解与火星合日相对应的火星冲日了 。
当火星和地球在太阳的同一侧 ， 火星、地球、太阳几乎成一条直线时 ， 从地球上看去 ， 火星隔着地球冲着太阳 ， 叫作火星冲日 。 冲是冲着 ， 向着的意思 。
火星冲日时 ， 太阳一落山 ， 火星就从东方升起 ， 整夜可见 。
火星冲日时 ， 火星与地球之间的距离最近 。
04
火星大冲
如果火星与地球绕太阳转的轨道都是正圆 ， 那么每次发生火星冲日时 ， 火星与地球的距离都是一样的 。 但是 ， 火星和地球绕太阳运行的轨道都不是正圆 ， 而是椭圆 。
在火星轨道上 ， 距离太阳最近的那一点 ， 叫做近日点 ， 距离太阳最远的那一点 ， 叫作远日点 。 火星冲日可以发生在轨道上任何一点 。 如果火星冲日时 ， 火星刚好处在近日点附近 ， 那么火星与地球的距离更近 ， 称为火星近日点冲日 ， 也叫火星大冲 。
即使都是火星大冲 ， 火星与地球之间的距离也不相同 。 例如2003年8月29日火星大冲 ， 火星距离地球只有5576万千米 ， 是几万年间最近的一次 。
每隔26个月 ， 火星冲日一次 。 火星大冲约15年到17年发生一次 。
2035年9月15日火星大冲 。 所以 ， 美国把实现载人登陆火星的项目时间定为21世纪30年代 。
05
火星与地球之间的距离
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图2火星与地球距离示意图 ， 图中通过光在月亮、太阳和火星与地球之间传播需要的时间来代表距离 。
火星合日时 ， 火星距离地球最远；火星冲日时 ， 火星距离地球最近 。 最远距离与最近距离相差很大 。
火星距离地球最远时 ， 火星与地球距离可达4亿千米；最近时约为5600万千米 。 如果从火星那里发出一束光 ， 那么在距离地球最远时 ， 需要20分钟左右到达地球 ， 距离最近时 ， 只需要4分钟左右 。 从月亮发出的光1.3秒左右到达地球 。 从太阳发出的光8 分钟左右到达地球 。
06
为什么发射窗口在火星冲日之前
虽然火星冲日时 ， 地球距离火星最近 ， 但发射探测器的时间不能刚好在火星冲日的时候 。 因为火星并不是静静地等在那里 ， 而是一直绕太阳运行 。 所以探测器要在火星冲日前2-3个月发射 ， 这样到达火星轨道时 ， 火星刚好也走到那里 。 就像优秀的足球运动员在传球时 ， 会传到队友即将跑到的那一 点 ， 这样才能球到、队友到 。
如果错过了一个发射窗口 ， 就要等待 26个月 ， 也就是2年多 ， 到下一个发射窗口来临时才能再发射 。
2020年10月14日会发生火星冲日 ， 所以2020年7-8月是个发射窗口 。 原计划在这个发射窗口发射的火星探测器有4个 ， 中国的“天问一号”火星探测器 ， 美国的“毅力号”火星车 ， 阿联酋的“希望”火星探测器 ， 还有欧洲与俄罗斯合作的火星生命探测计划（ExoMars）火星车 。 但是在2020年3 月 ， 欧空局和俄罗斯宇航局宣布 ， 这次来不及发射了 ， 只能推迟到2022年8-10月再发射 。
火星生命探测计划是用发射年份作为代号的 ， 所以在欧空局和俄罗斯宇航局的官网上 ， 先前的火星生命探测计划2020已经更改为火星生命探测计划2022 。 实际上 ， 这辆火星车早在2009年就计划发射 ， 结果一直没能发射 ， 代号就从最初的2009 ， 历经 2011 ， 2013 ， 2016 ， 2018 ， 2020 ， 到现在的2022 。 真是2年又2年 ， 错过了1个又1 个发射窗口 。
责任编辑张长喜
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