航天器飛往行星的軌道

尹懷勤

從理論上來說，從地球到達火星和太陽系其他行星的路線有很多種，但是航天專家考慮到時間成本、經(jīng)濟成本和技術限制，必須選擇一條最佳軌道完成任務，而這條最佳軌道只有在地球與行星相對位置滿足合適條件的時候才能實現(xiàn)，出現(xiàn)這個相對位置所對應的發(fā)射時間段被稱為發(fā)射窗口。

由于地球和火星都在圍繞太陽運轉，兩者的相對位置不斷變化。當它們距離最近時，被稱為相沖，即太陽、地球和火星同處于一條直線上。

出現(xiàn)相沖的時間間隔被稱為會合周期，雖然還要考慮其他因素，但是人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個月才出現(xiàn)一次，是太陽系八大行星中機會最少的。由于水星與地球的會合周期最短，所以水星的發(fā)射窗口出現(xiàn)的機會最多，每隔116天就會出現(xiàn)一次。

我們知道，兩點之間直線距離最短。要探測火星，應當把航天器直接送入火星才不會走彎路，但是這就要求發(fā)射用的運載火箭能夠提供更大的推力并讓探測器搭載火箭攜帶大量燃料供其消耗。不過，攜帶燃料越多，質量越重，對火箭推力的要求和發(fā)射成本就越高，所以我們應當選擇一條消耗能量最少的路線，而不是距離最短的路線。1952年，科學家霍曼計算出一條發(fā)射行星探測器的最佳軌道，即外切于地球公轉軌道同時內切于行星公轉軌道的橢圓過渡軌道，又稱霍曼軌道。對地外行星（火星、木星、土星、天王星、海王星）發(fā)射探測器多用這種軌道，而對地內行星（水星、金星）發(fā)射探測器則要用內切于地球公轉軌道同時外切于行星公轉軌道的霍曼軌道。

以火星為例，地球和火星在繞太陽運轉的過程中，兩者距離最大時可達4億多千米，而最近時，即和太陽處在同一條直線上時，只有5500多萬千米，相差3億多千米。由于會合周期為780天即26個月，所以滿足初始相位角為44°的時機每隔780天才來臨一次。當然，由于軌道形狀可在一定范圍內改變，發(fā)射窗口可以持續(xù)幾十天之久。航天器沿霍曼軌道飛向除地球以外的七大行星的最小速度及航行時間分別為：

由此可見，行星距離地球越遠，要求航天器的速度越大、航行時間越長。

計算表明，航天器的初始速度只要增加一點兒，就可使飛行時間顯著縮短。因此在實際發(fā)射航天器時并不一定都采用霍曼軌道，根據(jù)情況有時可用與目標行星軌道相交的大橢圓形軌道，飛往地外行星時也可采用拋物線軌道。

若要行星探測器從其他行星返回地球，也不是什么時間都可以。不僅要等待發(fā)射窗口，還要在發(fā)射時攜帶返回運載火箭。比如，飛往火星的探測器要想返航，就必須在飛到火星后，繞其運行，作為火星的衛(wèi)星等待一段時間，直到火星運行到地球前面75。的時候，才能離開火星，飛回地球。這個等待時間長達450天，加上探測器往返火星花費的533天，來回共需983天。金星探測器需要在金星外圍停留475天才能返回地球，所以來回金星一次共需782天。木星探測器在木星附近需停留215天才能返回地球，所以來回木星一次共需2223天。

如果是載人的航天任務，在發(fā)射航天器時除了要攜帶推力更大的返回運載火箭，還要為載人航天器選擇較短的飛行路線?？紤]到航天員吃飯等生活問題，飛船要攜帶足夠的食品，于是整體重量就會增加，也因此需要限制食物的攜帶量。由于食物等各方面物資有限，所以航天員一般不會在被探測的行星停留太久，不會等待返回的發(fā)射窗口。所以，載人航天器基本上都是按照事先準備好的軌道方案及時返航，帶回探測成果。

航天器的運行軌道，有點兒像汽車在馬路上行駛的車道。但是顯然太空中的這些軌道要比汽車車道復雜得多，需要科學家為此進行大量的計算和研究。不過，為了以后移民太空做準備，現(xiàn)在大家可要學會識別這些太空“交通線”呀！