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为什么最近各国扎堆去火星?一文讲清火星发射窗口

澎湃新闻 2020-07-23 14:39:59
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原标题:荧惑时刻|为什么最近各国扎堆去火星?一文讲清火星发射窗口

最近火星发射档期有点满。阿联酋的“希望”最先启程,中国7月23日发出“天问”,美国则把“毅力”留到了7月底。要不是疫情耽搁了,欧空局和俄罗斯合作的“罗莎琳德·富兰克林”原本也会凑这个热闹。

为什么去火星要扎堆?原来,2020年7月下旬至8月上旬是本轮的火星发射窗口,错过了这段时间,那就要像欧空局一样等到26个月之后了。

火星发射窗口与火星、地球、太阳的相对位置有关。要掌握出这些天体的“谜之走位”,我们才能找到一条省时又省油的最佳路线。

地火最近

众所周知,太阳系现在有八大行星,从里往外,地球排老三,火星排老四,是个块头比地球小的红色邻居。

根据向心力公式和引力公式,我们可以得出越外圈的行星角速度越小。因此,火星绕着太阳跑圈要比地球慢上一拍,公转周期约为687个地球日。地球有时候在追赶火星,有时候又在远离火星,大约每26个月会相遇一次。地火距离最近时5600万公里,最远达到4亿公里。以地球视角,在地球“超车”火星的那段时间,火星会短暂出现“逆行”。

正因如此,火星在中国古称“荧惑”:颜色荧荧似火,行踪令人迷惑。插句题外话,由顺行转逆行/由逆行转顺行的那段时间,火星会在视觉上呈现出短暂的停留。如果停留的位置正好是心宿(天蝎座),就是古人认为大凶的星象“荧惑守心”。

言归正传。要找出火星发射窗口,我们直观上的第一考虑是火星和地球之间距离最近的时刻,即“地火最近”。

每隔大约26个月,地球会行进到太阳和火星之间,连成一条直线,称作“火星冲日”。在这段时间,每当太阳刚从西边落下,火星就从东边升起。而每当太阳从东边升起,火星又恰好从西边落下,因此整夜可见。并且,此时火星在夜空中十分明亮,是观赏火星的最好机会。

如果行星轨道是个正圆,那日地火三点一线时,显然也正好是地火最近。但在现实中,地球和火星的轨道都是椭圆形,且火星的轨道比地球还要略扁平一些。因此,“火星冲日”和地火最近并不一定重叠。

“地火最近”与“火星冲日” 来源:NASA 下同

“地火最近”与“火星冲日”来源:NASA下同

从上图就可以看到,2016年5月22日发生火星冲日,但5月30日才是地火最近。

大约每隔15到17年,火星冲日会发生在火星近日点附近,称作“火星大冲”。此时,地火距离也会格外地近。由于地球轨道和火星轨道并不完全处于同一平面上,且受到其他天体的引力影响不断微调,“火星大冲”时的地火距离也非固定。

火星轨道和地球轨道不在一个平面

火星轨道和地球轨道不在一个平面

上两次火星大冲发生在2018年7月和2003年8月。2003年的那次火星大冲,地火距离缩到了约5576万公里,为近6万年来最短!

省油轨道

那么,我们是不是该在地火最近的时候发射火星探测器呢?其实并不是。除了时间成本,科学家和工程师们还要考虑重要的燃料成本。

火星探测器并非直线扑向火星,在地球引力和发射动力的双重影响下,它以一道曲线进入太空,点火进入一个轨道,随后熄火进入惯性滑行,等待火星来到之后,再点火推进。

这中间的路线设计可以有多条,但最省燃料的一种就是“霍曼转移轨道”。通过这种方式,飞行器可以关闭引擎滑行最长的距离。

如下图所示,霍曼转移轨道是以太阳为其中一个焦点的椭圆轨道,与低轨道(地球轨道)和高轨道(火星轨道)都相交。

当地球运行到霍曼转移轨道的近日点,飞行器启动发射,加速离开低轨道;而当火星运行到霍曼转移轨道的远日点,飞行器启动转移,加速进入高轨道。

霍曼转移轨道

霍曼转移轨道

当然,飞行器必须在精确的时间窗口内发射,才能恰好在霍曼转移轨道的远日点和火星相遇,被火星引力捕获。这就好像大范围转移传球,需要预判队友的跑位。合适的出脚机会,也是每26个月出现一次。

下一次红色星球降临霍曼远日点的日期,是2021年2月11日。也就是说,这一批发射的探险勇士们,还要漂泊将近7个月。

责任编辑:路子康 CN078
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