火星的發(fā)射窗口

成功登陸火星將是人類開啟星際旅行時代以來，在外太空建立的一個重要戰(zhàn)略支點，因為從火星中轉(zhuǎn)出發(fā)，人類將能夠獲得更大的宇宙縱深。與登陸月球相比，火星實地考察的難度明顯更大，不僅距離遠，火星上惡劣的環(huán)境也給探測活動增添了許多不確定性因素。

從理論上說，從地球到火星的路線有很多種，但是考慮到時間成本、經(jīng)濟成本和技術(shù)限制，我們必須選擇一條最佳軌道完成任務(wù)，而這條最佳軌道只有在地球與火星相對位置滿足合適條件的時候才能實現(xiàn)。這個相對合適位置所對應(yīng)的發(fā)射時間段就被稱為發(fā)射窗口。一旦錯過這個窗口，我們就必須等待下一個窗口，而這一等就將是漫長的26個月 。

為什么是26個月呢？由于地球和火星都在圍繞太陽運轉(zhuǎn)，兩者的相對位置不斷變化。當(dāng)它們距離最近時，也被稱為相沖，即太陽、地球和火星同處一條直線上，此時發(fā)射探測器明顯更經(jīng)濟。出現(xiàn)相沖的時間間隔被稱為會合周期，通常我們認為會合周期就是發(fā)射窗口出現(xiàn)的周期。地球與火星的會合周期是26個月，因此探測火星的發(fā)射窗口每隔26個月出現(xiàn)一次。

太陽系八大行星中，屬火星的會合周期最長了，因此其發(fā)射窗口出現(xiàn)的機會也最少，其次就是金星了。水星發(fā)射窗口出現(xiàn)的機會最多，每隔116天就出現(xiàn)一次，其他行星的會合周期基本在1年左右。

大家都知道，兩點之間直線最短，依據(jù)此理，似乎應(yīng)當(dāng)把探測器徑直地送入火星，以求不走彎路，但是探測器不可能搭載如此多的燃料隨心所欲，所以我們應(yīng)當(dāng)選擇一條能耗最低的路線，而不是距離最短的路線。

探測器如何節(jié)省能量呢？只能找太陽借力了！經(jīng)過科學(xué)家們計算，最佳軌道只有一條，那就是外切于地球公轉(zhuǎn)軌道，同時內(nèi)切于火星公轉(zhuǎn)軌道的橢圓軌道。這條軌道是奧地利科學(xué)家霍曼在1925年提出來的，因此也被稱為“霍曼軌道”。在科幻小說《三體》第二部《黑暗森林》中，中國太空軍在探討宇宙航行動力的推進方式時，最終采取的就是“霍曼軌道”飛行。

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(本文摘編自《中國航天報》飛天科普周刊。本欄目合作單位：中國載人航天工程網(wǎng)http://www.cmse.gov.cn/)