飛往火星的最佳時(shí)機(jī)是何時(shí)？

季芳

2020年7月，阿聯(lián)酋、中國(guó)和美國(guó)扎堆發(fā)射了各自的火星探測(cè)器“希望號(hào)”“天問(wèn)一號(hào)”和“毅力號(hào)”。為什么他們都選擇了這個(gè)時(shí)間，難道火星探測(cè)也要“隨大流”嗎？其實(shí)，這是因?yàn)樘煳膶W(xué)家們計(jì)算出來(lái)，2020年的7～8月是火星探測(cè)的窗口期，探測(cè)器在這段時(shí)間從地球上出發(fā)能用最少的燃料和最短的時(shí)間到達(dá)火星。

現(xiàn)在，就讓我們跟著天文學(xué)家算一算這個(gè)窗口期吧。

根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)，我們知道兩點(diǎn)之間線段最短，但這兩點(diǎn)指的是靜止的兩點(diǎn)，而火星和地球則保持著永不停歇的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且地球的公轉(zhuǎn)軌道比火星要小，公轉(zhuǎn)速度比火星要快一些。想象一下，火星和地球是環(huán)形跑道上的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)員，地球跑的是內(nèi)圈，而且速度要更快一些。如果地球上的人在地球和火星并排時(shí)（即火星和地球轉(zhuǎn)到太陽(yáng)的同一側(cè)且連成一線的現(xiàn)象，天文學(xué)上將這種現(xiàn)象稱為“火星沖日”）向其投擲物品，這個(gè)物品的速度跟地球的相同，比火星更快，最終這個(gè)物品是不是會(huì)掉到火星的前方呢？因此，最適合的投擲時(shí)間應(yīng)是火星比地球領(lǐng)先一段距離的時(shí)候，這樣火星才能穩(wěn)穩(wěn)“接住”探測(cè)器。

1925年，德國(guó)工程師沃爾夫?qū)せ袈岢隽艘粭l發(fā)射探測(cè)器的最經(jīng)濟(jì)路線，稱之為霍曼轉(zhuǎn)移軌道。這個(gè)方案中，探測(cè)器從地球上發(fā)射后，初始速度與地球相同，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后將略微改變它的前進(jìn)方向和速度，使得探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)軌道變成橢圓形，最后在某個(gè)點(diǎn)與火星交會(huì)。沿著這條軌道飛往火星，所需要的初速度和抵達(dá)火星時(shí)的速度都是最小的，這樣就能最大限度地減少燃料的消耗。

根據(jù)計(jì)算，探測(cè)器沿這條橢圓形的霍曼轉(zhuǎn)移軌道前往火星，單程大約需要259天。火星公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間約為1.88年，在探測(cè)器259天的航行時(shí)間中，火星移動(dòng)的距離對(duì)應(yīng)的圓心角大約135.5°。因此我們可以得出結(jié)論，探測(cè)器出發(fā)時(shí)，火星與地球的夾角為44.5°。當(dāng)火星位于地球前方，兩者之間夾角為44.5°時(shí)，我們將探測(cè)器發(fā)射出去，讓它的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道呈現(xiàn)橢圓形，飛行約259天就可以到達(dá)火星。

2020年的七八月份，地球和火星正處于這個(gè)理想位置上，如果錯(cuò)過(guò)這個(gè)時(shí)間，這樣的理想位置大約要再等上779天才會(huì)出現(xiàn)，所以世界各國(guó)才會(huì)爭(zhēng)相在7月份的時(shí)候發(fā)射火星探測(cè)器。