火星，中國來了!(上)

鄭永春

從火星沖日說起

太陽系是我們的家園，地球是太陽系中的一顆行星。在太陽系中，地球是第三顆行星，火星是第四顆行星，它們都繞著太陽轉。雖然，從大小來說，金星是與地球最接近的行星。但是，以相似性而言，火星才是整個太陽系中與地球環境最相似的行星，因而也是最吸引人類前往探索的星球。

因為火星是紅色的，所以在古代，無論是東方還是西方，人們大多把它當作不吉的象征。在西方神話中，火星被視為戰神的象征，代表著戰爭、血腥和災難。

火星沖日是一種常見的天文現象，每當天空中火星和太陽分處地球的兩側，太陽、地球、火星在一條直線上時就會出現。火星沖日前后，黃昏時，太陽剛下山，火星就從東方的天空升起。黎明前，火星剛從西方的天空落下，太陽就升起來了。這就好似肩上的扁擔，一頭翹起，另一頭就會落下。深夜的時候，太陽在我們腳下的另一個半球，火星恰好在頭頂的正上方，相當于整夜都可以看到火星。只要天氣晴好，夜幕降臨后，面向東方，就會看到地平線升起來一顆亮星，就像紅寶石一樣，鑲嵌在黑色的天幕之上，熠熠生輝，美艷無比。

火星沖日的時候，是從地球上觀測火星的最佳時期。航天時代到來以前，每逢火星沖日，全世界的天文學家都會把望遠鏡對準火星。1610年，伽利略第一次把望遠鏡對準了火星。但他的望遠鏡實在是太簡陋了，似乎沒有留下什么證據證明他當時的發現。畢竟，從地球上觀測火星還是太遠了。

很多人介紹天文現象時，經常會用“多少年一遇”說明它的罕見性。2020年10月14日，是26個月一遇的火星沖日。觀測火星的時機其實不限于火星沖日當天，沖日前后的2～3個月，都是從地球上觀測火星的好時機。整個10月，火星都是夜空中最亮的那顆星，而且長時間可見。通過普通的天文望遠鏡，我們就能看到火星的紅色表面及其明暗變化，甚至還能看到白色的極冠。運氣好的話，或許還能識別出長達4000千米的水手大峽谷。

時至今日，仍然有一種說法認為，火星沖日和個人運勢有某種關系，這是沒有任何道理的。火星沖日時，地球和火星這兩顆行星在太陽的同一側，都朝著太陽的方向，是一種周期性出現的自然現象。就像操場上跑步的兩位同學，不管誰快誰慢，多跑幾圈，總有機會出現兩人并肩跑的情況。

你可能聽說過“水逆”，也就是水星逆行，其實火星也會出現逆行。如果長期觀測火星，就會發現它在天空中的軌跡（相對于恒星組成的背景圖案）很是詭異：大多數時候往前走（順行），有時停住不走了（留）。滯留一段時間后，又開始后退（逆行）。退了一段時間，又開始往前走。行星逆行是很常見的天文現象，從地球上看，太陽系的所有行星都會出現逆行，但這只是我們從地球上看事物的直覺，并不符合客觀事實。其他行星和地球一樣，都繞著太陽逆時針公轉，它們到地球的距離有時遠、有時近。如果站在太陽系上方俯視就會發現，火星不會逆行，水星也不會逆行，所有行星都不會出現逆行。

火星沖日、火星逆行，以及水逆、星座、流星雨等，都是常見的天文現象，與國家和個人的命運沒有任何關系。我們在地球上的生活主要受太陽的引力和輻射的影響，其他行星的引力、輻射，對我們基本沒有影響。就像莎士比亞曾經說過那樣：“掌握我們命運的不是星座，而是我們自己。”

火星探測器的發射時機

2020年7月20日，阿聯酋發射了“希望號”火星探測器;7月23日，中國發射了“天問一號”;7月30日，美國發射了“毅力號”火星車。為什么這些火星探測器都選在2020年7月飛向火星呢？這是因為，2020年7月到8月，是火星探測器發射的“窗口期”。

在太陽系中，地球沿著第三條軌道運行，火星沿著第四條軌道運行，就像城市道路中的三環路和四環路（見圖1）。探測器從地球上發射后，將沿著發射時地球所在的位置，與半年多之后航天器抵達火星時火星所在位置之間的拋物線，飛向火星。這條拋物線就像三環路和四環路之間的連接線，是從地球去往火星最節省能量的一條路線，由德國物理學家霍曼通過計算發現，被稱為“霍曼轉移軌道”。

航天器要順利進入霍曼轉移軌道，就要選擇火星位于地球前方44°時從地球發射，這一時機被稱為火星探測器的發射窗口。一旦錯過發射窗口，就要等地球繞太陽再轉2圈多，地球和火星回到原來的相對位置時再發射，這一等就是26個月。

火星探測器在發射窗口發射，最節省燃料，只需要把從探測器的飛行速度提高到每秒11.2千米（也就是擺脫地球引力的“第二宇宙速度”）。我知道，你可能希望隨時都能去火星，這也不是不可以。如果在最不利的時機去火星，探測器需要加速、減速、改變方向等，這些動作都需要消耗燃料，消耗的燃料如果折算成速度變化量，相當于要把探測器的速度變化提高到每秒100千米，相比發射窗口去火星提高了9倍，這對現有的航天技術是一個很大的考驗，即便能實現，也很不經濟。所以，要實現火星探測想去就去，任爾馳騁，還需要幾代人的持續努力。

火星探測器發射窗口并不是火星沖日期間，即并不是地球和火星距離最近的時候。因為火星在往前走，地球也在往前走，如果二者距離最近的時候發射過去，火星顯然已經跑掉了。所以，火星探測器的發射窗口在火星沖日之前的2～3個月。