遠航火星

劉進軍

火星，擁有難以抗拒的魅力，它像催眠大師一樣吸引著我們。人類下一個可以漫游的星球是火星。不管你在火星上流浪的原因是什么，奇跡的大門正在打開……

太空探索是全人類的事業。21世紀20年代，將會是個太空探索的激情歲月。目前，人類太空探測的目標包括登陸火星或小行星，以及銀河系探測、洲際航行、太空旅游、太空探礦和太空移民等。這些太空探測的宏偉目標，將會改變航天學、天文學、行星學和宇宙學，甚至人類的思維和想象。

2020年，人類行星探測的主要目標己瞄準火星。2020年7月17日，美國宇航局將發射一輛“毅力號”火星車和一架“恒心號”火星直升機，并將于2021年2月18日空降火星。此次探測的科學目標是確定火星上是否曾出現過生命，研究火星的氣候和地質特征，收集巖石和土壤樣本，尋找古老的微生物生命，測試火星大氣的制氧能力，以及研究人類可居住性等。

2020年7月25日，歐洲航天局將利用俄羅斯的“質子號”火箭，發射“火星生物學”探測器和“羅莎琳德·富蘭克林號”火星車。羅莎琳德·富蘭克林是英國的一位化學家和X射線晶體學家。她發現了DNA的雙螺旋結構，還為煤炭、石墨和碳的研究作出了卓越的貢獻。

“羅莎琳德·富蘭克林號”火星車的科學目標是確定火星是否存在生命，或生命在火星上是否仍然活躍。通過火星車尋找和分析火星上的DNA，為人類未來探索紅色星球作準備。歐洲航天局計劃未來取回火星樣本，這是寶貴的禮物，也是未來幾代人的科學寶藏。

2020年7月，我國將從文昌發射中心擇機發射“火星一號”（暫定名）火星探測器，同時一次性完成“繞”、“落”、“巡”三大任務，實現對整個火星進行全球觀測，火星車降落在火星上并進行巡視勘測這三大科學目標。這當中有很多技術難點，如果成功，這將是全世界首次在一次任務當中完成三個目標。此次探測是我國首次火星探測任務，也是我國首次真正的行星探測任務。

預計2021年前，“火星一號”火星探測器將降落在火星上。2021年，美國、歐洲和中國的火星車可能會同時奔馳在火星上，開展火星探測競賽，為人類的航天事業作貢獻。

“毅力號”火星探測器

火箭是最佳選擇

人類探測器怎樣才能成功地飛抵火星呢？火星探測的航程遙遠、測控極為艱難，整個征途充滿著不可預知的風險。2000年前，各國的火星探測任務敗多勝少;2000年后，各國發射的火星探測器幾乎都成功了。若要安全地飛向火星，必須具備3個條件：一是一枚最好的大型火箭;二是一個最佳的發射窗口;三是一條最優的飛行航線。

運載火箭是專門發射衛星、飛船、空間站、太空探測器和航天飛機等航天器而設計的火箭。火箭的運載能力主要看火箭的力量——推力。推力越大，火箭的運載能力就越強。

我們為什么要選擇大型運載火箭來發射火星探測器？因為火星探測器自身都比較重，去往火星的征途遙遠，所以必須選擇大型火箭。這種大型火箭必須具備5個要素：運載量大、整流罩高大、成功率高、可靠性高和安全性高。發射火星探測器關系到一個國家的榮譽和威望，最好能做到萬無一失。

目前，美國的“毅力號”火星車發射已經進入倒計時?！耙懔μ枴被鹦擒囬L約3米、寬為2.7米、高為2.2米，重量為1050千克，大小差不多相當于一輛小汽車?；鸺l射必須首先考慮推力和運載量。此次美國宇航局發射“毅力號”火星車選擇“宇宙神5”運載火箭，是因其運載量大，性能優異。它的最大運載能力分別是近地軌道19噸，同步轉移軌道8.7噸，完全可以將“毅力號”火星車送上轉移軌道，飛向火星?！坝钪嫔?”火箭的整流罩直徑5米，內高10.2米，最高可達15.9米。

此外，“宇宙神5”運載火箭的發射成功率很高。從2002年8月21日“宇宙神5”運載火箭首次發射，共計發射81次，除一次“部分成功”外，幾乎全部成功。它曾成功發射了美國國防部的5架“X-37B”太空戰機、“好奇號”火星車等大型航天器，其可靠性和安全性甚高。

我國已準備發射“火星一號”火星探測器，試問誰將擔當重任？答案是“長征5號”運載火箭?！伴L征5號”運載火箭是我國運載能力最強的火箭。它總長53.7米，芯級火箭直徑5米，助推器直徑3. 35米，起飛重量達到837.5噸，近地軌道運載能力大于22噸。

我國的“火星一號”火星車和著陸器

登陸火星的最佳窗口

有著“紅色星球”之稱的火星與眾不同，令人神往。人類若要造訪火星，必須精準確定發射窗口。那么我們怎樣才能精準確定發射窗口呢？

火星的公轉軌道呈橢圓形，扁得有點像雞蛋。它距離太陽的近日點2. 07億千米，遠日點2. 49億千米，平均距離1.4億千米。在一個火星年中，火星距離太陽的遠近會有3000萬千米的變化。地球的公轉軌道變化距離只有300萬千米?；鹦堑墓D周期686. 971個地球日，大約為地球公轉時間的2倍。

火星是距離地球第2近的行星。它距離地球的近地點5500千米，遠地點4億千米?；鹦堑淖赞D周期，也就是一天為24小時37分?；鹦堑淖赞D軸與它的公轉平面有一個25.2。的夾角。因此，火星也有了一年四季的變化。火星圍繞太陽公轉一圈大約是2個地球年，因此火星上各個季節的長度也比地球上長2倍。

美國宇航局的“毅力號”火星車與探測儀

“恒心號”：太陽系第一架火星直升機

地球和火星都圍繞太陽運行，但是近日點、公轉周期和相對位置都各不相同，是不斷變化的。地球和火星的會合周期是780天，也就是26個月。只有當它倆距離最近，也就是太陽、地球和火星同處一條直線上時發射火星探測器，從時間、距離、燃料和機會上才最合適。這個時間段被稱為“發射窗口”。

為何“發射窗口”要求那么精確呢？如果火星探測器過早發射，就會白白浪費時間和盲目等待。如果火星探測器發射得太遲，就會與火星擦肩而過、錯失良機，甚至不能在預定地點入軌或著陸。如果火星探測器沒能在“發射窗口”發射，那就只能等待下一次的“發射窗口”。

?歐洲航天局發射的“羅莎琳德·富蘭克林號”火星車的鉆探深度可達2米。

在火箭發射前，科學家會根據火星的入軌時間、方向和著陸地點，計算出2～3種最適合、最精確的“發射窗口”?；鹦翘綔y器發射要分別計算年窗口、月窗口和日窗口。根據本地氣象和太空天氣，科學家會確定日窗口、最終發射時間和倒計時。

2020年，歐洲航天局、美國宇航局和我國國家航天局都將發射火星探測器，選擇的“發射窗口”都在7月。科學家將根據軌道力學原理，計算和設計一條最佳航線。火星探測器將經過7～8個月的飛行，大約在2021年1 2月左右進入火星軌道，相繼造訪這顆神秘的星球。

選擇最優航線

行星際飛行器不僅被要求飛得高、飛得遠，還被要求盡量飛得久，期間充滿了挑戰與危險。行星探測器在盡可能多地攜帶科學儀器和燃料的同時，自身也應盡量輕。這些問題難住了科學家。何況要想火箭搭載著行星探測器去往另一顆行星，就必須計算出一條最佳航線，否則既浪費燃料，也很難成功。那么怎樣才能為探測器的星際旅行探求一條最佳航線呢？目前，人類主要采取3種方式：霍曼轉移軌道、引力彈弓效應和直飛火星。

1925年，德國科學家沃爾特·霍曼認為，遠距離星際飛行的最佳軌道只有一條。他提出了2條圓形的傾角相同、高度相異、非常省力的轉移軌道——霍曼轉移軌道?；袈D移軌道的優點是可以從低軌道向高軌道轉移，也可以從高軌道向低軌道轉移，從而節省燃料，縮短時間，并可以遠距離連續訪問多顆行星。

霍曼轉移軌道是地球軌道及目標行星軌道同時相交叉的雙切線橢圓軌道。這條橢圓軌道與2條公轉軌道相切時傾角相同。霍曼認為，當太空探測器離開地球時，必須獲得11.2千米/秒的第二宇宙速度才能克服地球引力，實現深空飛行。太空探測器先沿著地球軌道一圈一圈地蕩開，當接近兩星相交會的切點時，太空探測器只要在2個切點處點火加速，就能進入目標行星的軌道。

霍曼轉移軌道的藝術想象圖

當然，如果太空探測器加速并改變飛行軌道，可以縮短飛抵目標行星的時間。例如，美國的“旅行者2號”探測器的速度，比雙切線軌道所要求的快0.2千米/秒，到達木星的時間縮短了將近四分之一。根據霍曼轉移軌道計算，火星探測器從地球到火星一般需要飛行259天。

為了保證太空探測器沿雙切線軌道的切點轉移，科學家必須計算好提前量。當太空探測器飛到與目標行星軌道相會處時，目標行星恰好也運行到切點。因此，太空探測器必須根據事先計算好的提前量，選擇在地球和目標行星都處于某一特定相對位置的“發射窗口”發射。

100年前，蘇聯宇航學家尤里·康德拉圖克第一次提出引力彈弓效應的設想。他認為，太空探測器飛向太陽、水星和金星，朝向太陽飛行，可以獲得加速度。如果飛向火星、土星、木星、天王星和海王星，背向太陽飛行，會降低速度。

引力彈弓效應遵循萬有引力定律、能量守恒定律、軌道力學和太空動力學的原理，利用太陽、地球、月球和金星等星球的引力，借力飛行。引力彈弓效應利用地球和行星的公轉運動和引力大小，實現星際飛行和加減速。探測器在發射時先得到必要的初始速度，然后在大部分時間里慣性飛行。事實證明，這是一個星際飛行、控制速度和節省燃料的好方法。

是不是覺得上面說得太難懂？其實這引力彈弓就是蕩秋千，太空探測器算好時間發射，在各個行星之間蕩秋千，從一個行星蕩向另一個行星，一步步接近目標行星。

點火升空的俄羅斯“質子號”火箭

火箭發射升空

火箭打開整流罩

直飛火星，是最優方法。這種方法航行時間最短、效率最高，但前提是火箭的推力必須足夠強大。所以火星探測器能直飛火星，是一個國家綜合實力強大的標志。2020年7月，我國將在海南文昌發射中心發射“長征5號”火箭，采用直飛火星的方式將火星探測器直接送入地火轉移軌道。

“毅力號”的電路！

我們把火星看作是未來人類移民外星球的第一站。通過對火星進行詳細的了解及勘測，為未來載人登陸火星，也為人類改造火星做準備。火星可能會成為我們生存的第二個星球，也是人類殖民外星球的重要一步。

未來的星際飛船

知識鏈接 火箭發射分為3種情況：成功、失敗和部分成功。航天器升空也分為3種情況：成功、失敗和部分成功。火箭發射成功，航天器發射不一定成功?；鸺l射失敗，航天器發射肯定失敗?；鸺l射部分成功，航天器發射可能會成功。

發射窗口通常有4種形式，即年窗口、月窗口、日窗口和零窗口。年窗口，是指一年甚至是幾年才能遇到的一次發射時機。月窗口，是指每月那幾天適合發射的時機。日窗口，是指每天都有適合發射的時機。零窗口，是指火箭點火起飛的時間與預計時間的偏差不能超過1秒。