“天問一號”面向外界“亮相”后，引起廣大群眾的無限遐想，它如何到達(dá)火星？如何繞火星軌道飛行？在火星上做些什么？對中國、對世界有什么樣的意義？最近幾期內(nèi)容，李博士將為大家詳細(xì)解答。
在講今天的內(nèi)容之前，我們先來回顧一下往期的內(nèi)容。
地球到火星的距離非常遠(yuǎn)，最近的“沖”的位置（點擊查看“沖”的概念→探索火星——火星逆行是什么？）也有5500萬公里，因此太空船想從地球到火星，必須計算好地球與火星的運行軌跡，即計算“發(fā)射窗口期”。
發(fā)射窗口期，是地球與火星達(dá)到“沖”位置前的100天，窗口期一般兩年多一點出現(xiàn)一次，而2020年7月則是最近的一次窗口期，這也是“天問一號”要在今年發(fā)射的原因。
太空船需要達(dá)到第二宇宙速度（11公里/秒）才能脫離地球，如探測器以太陽為參考系，則需要達(dá)到41公里/秒的速度（11公里/秒加30公里/秒的地球公轉(zhuǎn)速度）。
由于宇宙飛船脫離地球后仍要對抗“太陽引力”，因此，從地球到火星的過程，是宇宙飛船“爬坡”的過程。這一過程，是以霍曼軌道的線路完成的。
如此，大約過200天左右的航程，宇宙飛船即可到達(dá)與火星在地球出發(fā)點“合”的位置與火星會合。在它“爬坡”的過程中，動能在逐漸轉(zhuǎn)化為勢能，宇宙飛船的速度會逐漸變慢，而后，就是我們今天要講的內(nèi)容了。
到達(dá)火星后，我們就需要以火星為參考系來計算宇宙飛船的速度了。由于火星引力比地球小，宇宙飛船環(huán)繞火星的速度不得高于5公里/秒，否則就不會被火星的重力場捕捉住。
同樣，如果探測器速度太小，它會被火星急速抓住，很可能失控撞向火星，這也不是我們理想的狀態(tài)。因此，探測器到火星后一般要維持略低于5公里/秒的速度接近火星，才是最佳狀態(tài)。
所以，宇宙飛船到達(dá)火星后第一件要做的事就是通過反射火箭方式減速，大概需20至25分鐘的減速過程，就可以降低約1公里/秒，剩下大約4公里/秒的速度。
以每秒4公里的速度在約離火星地表400公里的高度進(jìn)入火星軌道，宇宙飛船繞火星的運行軌跡是一個大的橢圓形。距離火星表面近點大概是400公里，而遠(yuǎn)點可以達(dá)到最遠(yuǎn)40000公里。
在剛到達(dá)火星時，太空船經(jīng)過約47個小時，才能圍繞火星轉(zhuǎn)完一圈橢圓形軌道。這相較地球衛(wèi)星要長的多，因為地球太空站圍繞地球轉(zhuǎn)一圈時間也僅需要1個半小時。
之后，宇宙飛船還要把“近火點”調(diào)低到距離火星表面約100公里處，能碰到火星稀薄的大氣，火星大氣壓是地球氣壓的1/150，雖然小但存在，宇宙飛船每經(jīng)過一次，就會受大氣阻力減速。
這種減速方式節(jié)省燃料，但會增加減速時間，從上圖可以看出，如果完全依賴火星大氣減速，一般大概經(jīng)過1年半、甚至兩年的時間，才可能減速至圖片最左邊的圓形軌道。實際操作，為了更快實現(xiàn)最終圓形任務(wù)軌道，皆會使用高壓反噴氣體減速，以期在數(shù)月內(nèi)，完成軌道調(diào)整。軌道在逐漸成圓形的過程中，還要提高 “近火點”約至300公里，環(huán)繞周期為兩小時左右的任務(wù)圓形軌道。
中國“天問一號”任務(wù)，太空船最終要登陸火星，在這之前，需要將通訊衛(wèi)星“留下”，使其繞火星公轉(zhuǎn)。而通訊衛(wèi)星，并非簡單地繞火星的“赤道”運行。
如果通訊衛(wèi)星繞赤道旋轉(zhuǎn)，它僅能觀察火星赤道北緯、南緯一定范圍內(nèi)的景象，想要看到火星的全部景象，就必須讓衛(wèi)星軌道通過南極北極，如此火星每旋轉(zhuǎn)一圈，就會被通訊衛(wèi)星觀察全景一次。
這類近于環(huán)繞火星南北極軌道是火星與地球通訊衛(wèi)星最理想軌道。我們更可以通過仔細(xì)設(shè)計，使衛(wèi)星軌道永遠(yuǎn)正面對著太陽。這類軌道，通稱為太陽同步軌道。這樣，依靠太陽能電池的衛(wèi)星就可以永遠(yuǎn)在連續(xù)充電的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。
衛(wèi)星環(huán)繞火星
說完留在火星軌道的衛(wèi)星，再來說說進(jìn)入火星的太空船。太空船進(jìn)入火星，需要突破火星大氣，這個過程也不簡單。太空船需要找到正確的切入角度，不可“用力過猛”或“蜻蜓點水”，因這可能會導(dǎo)致太空船被“燒毀”或被大氣反彈回來。
宇宙飛船需要以合適的角度加反射火箭助力，進(jìn)入火星大氣，突破“黑障區(qū)”（黑障區(qū)指穿透大氣時，宇宙飛船與大氣摩擦，產(chǎn)生高溫，宇宙飛船被等離子體包圍，完全失去通信聯(lián)絡(luò)的區(qū)域），才能進(jìn)入大氣，而后通過降落傘緩慢降落。
中國的宇宙飛船降落，經(jīng)過降落傘減速后，最后可能是要通過“氣袋包裹”的形式接觸火星地表。這是一種比較經(jīng)濟實惠的方法。和降落傘分離后，會有一個氣袋將宇宙飛船和漫游小車包裹起來，其形成一個“不倒翁形態(tài)”，即無論以何種方向著地，最終都會觸地后反彈幾次，最后像不倒翁一樣降落在火星上，重的部分在下，輕的部分在上（美國一般使用反射火箭降落，這種方式更加精準(zhǔn)）。
到此，太空船上的漫游小車、電腦、通訊軟件等硬件就可以“下船”并開始工作了。
不過，想與火星保持24小時通信，需要在地球上每120°經(jīng)度設(shè)立一個通訊站，目前中國僅在天津有一個通訊站，僅能在24小時中保持8小時通訊。當(dāng)“天問一號”到達(dá)火星后，中國是否會派出“遠(yuǎn)望號”到大西洋加長通訊時間，或是找到其他國家尋求合作，尋求24小時通訊，我們就不得而知了。
后續(xù)，“天問一號”將進(jìn)行怎樣的探測，火星又有怎樣的歷史？我們下期再聊！
今年3月5日和3月27日之后，火星、木星、土星這三顆地外行星在4月10日晨，再次上演“等距”排列。此次過后，直到2040年，這一奇特景象才會重新現(xiàn)身天宇。
上期我們講了火星逆行的原理，這期我們來探討適合我們地球人類向火星發(fā)射航天器的時機，也就是發(fā)射窗口。
首先，我們要先理解脫離束縛的概念，人類發(fā)往火星的航天器，需要達(dá)到能夠穩(wěn)定圍繞地球轉(zhuǎn)不會掉下來的水平，即實現(xiàn)第一宇宙速度7.9公里/秒。此時的航天器，可以圍繞地球做勻速圓周運動，成為地球的“人造衛(wèi)星”。
在達(dá)到這個水平之后，下一步就是擺脫地球引力的束縛，達(dá)到逃逸速度，即第二宇宙速度11.2公里/秒。在這種速度下，我們的航天器能夠飛離地球，被太陽的引力吸引，進(jìn)入環(huán)繞太陽運行的圓形軌道。
因為火星處于地球外側(cè)，并且按照橢圓軌道環(huán)繞太陽運動。因此航天器的圓形軌道，將在地球?qū)γ娴奈恢门c火星軌道交會。如果想實現(xiàn)探索火星的目的，就需要在航天器和火星會和的一剎那，令航天器能夠成功被火星的重力吸引。
而想要搞清這一剎那究竟是幾時幾刻，我們就要先回到地球和火星的關(guān)系上來。
上期我們提到過，在火星和地球環(huán)繞太陽的“地火賽跑”中，地球的速度與火星相比一騎絕塵，是實打?qū)嵉内A家。地球繞太陽每秒鐘大概走30公里，快于火星的24公里。地球繞完太陽一圈，火星才只走了半圈多一點，火星繞完一圈的時候，地球已經(jīng)走了1.88圈了。
“沖”是火星在軌道上最靠近地球的位置，這時的火星在我們看來又大又亮，是最佳的觀測時機。熒惑守心、火星逆行等現(xiàn)象，都和這個時空點位密切相關(guān)。在“沖”的時刻，火星、地球、和太陽的位置按順序連成一線。
而當(dāng)?shù)厍蚝突鹦欠謩e位于太陽兩側(cè)，同樣連成一線的時候，則被稱為“合”，是火星離地球最遠(yuǎn)的瞬間。
上期我們也講過，地球和火星任何的位置概念，每780天就會重復(fù)一次，“沖”的位置也隨著這種周期性的變化而變化。從最近十幾年來看，2003年的“沖”地火距離最近，大概5000千萬公里左右，可以算作“大沖”。而今年，也就是2020年“沖”的時刻是10月13日。
由于地球的速度快于火星，因此我們需要在“沖的位置”到達(dá)之前，將航天器發(fā)射出去，才能保證航天器在繼續(xù)運行180度以后，跟火星順利會和。那么我們究竟要提前多少天發(fā)射航天器呢？
這就需要計算一下了，因為火星本身就處于地球外圈，又因為地球的速度比火星快過1.88倍，可以得出地球和火星在各自的軌道預(yù)備起時，地球得讓火星轉(zhuǎn)太陽一周360度中的44度。這個起跑時角度差，加上地火1.88倍速度差，造成地球火箭發(fā)射時間約在地火“沖”前大約100天左右。換算到2020年，大概是7月初。這便是“天問一號”選擇今年7月發(fā)射的原因！
人類去往火星航天器的發(fā)射窗口，也不止有這一天，它大概能夠持續(xù)30日上下，也就是2020年的7月3日至8月3日。那為什么火星窗口長達(dá)一個月呢？原因是去火星的火箭可快可慢。慢的火箭要早一點出發(fā)，快的火箭可晚點出發(fā)，前后時差可間隔30天。
但快的火箭在進(jìn)入火星軌道時要耗費很多燃料剎車，所以火箭要帶較多燃料，于是火箭較重，較難操作，又較貴。所以，在這發(fā)射窗口開放的30天內(nèi)，何時出發(fā)，是許多復(fù)雜因素得出來的一個綜合決定。
我們之前提到過霍曼軌道的概念。以圖中的“水手號”宇宙飛船的發(fā)射過程為例。在它的霍曼軌道上，為了擺脫地球并最終與火星交會，宇宙飛船的速度遠(yuǎn)高于地球環(huán)繞太陽的每秒30公里，剛從地球出發(fā)時，有時能夠達(dá)到太陽軌道速度每秒42公里上下。
雖然看起來由地球去往火星的霍曼轉(zhuǎn)移軌道，需要長達(dá)259天的飛行時間和4億多公里的路線距離。但相比6000萬公里的地日直線軌道，霍曼軌道是航天器由地球軌道去往火星軌道最省燃料也比較經(jīng)濟的路程。從地球出發(fā)去火星的出發(fā)時間和所需要使用的軌道，其實就是小學(xué)五、六年級的亀兔賽跑問題，各位讀者沉下心來，一想就通。
這兩期，我們一起探討了地球和火星的關(guān)系，知曉了火星逆行的奧秘，還帶領(lǐng)著載有我們對火星無限好奇的“虛擬航天器”，找到了適合的發(fā)射窗口。下一步該如何踏上火星的軌道，在“登陸火星”的路上又將面臨什么艱難險阻，我將在下期與大家分享
020年4月16日12時32分，火星赤經(jīng)合月，位于月球之北2.0度。黎明時分若天晴，可在東南方天空摩羯座觀賞到火星伴月，它們不遠(yuǎn)處還有稍暗的土星和明亮的木星。而今年10月，火星亮度將升至2.6等。
上期我們講了發(fā)射窗口，探討了適合我們地球人類向火星發(fā)射航天器的時機。下一步該如何踏上去往火星的軌道呢，一起來了解一下吧！
找到了合適的發(fā)射窗口時間后，前往火星的航天器就可以正式啟程了。以火星為目的地的人類宇宙飛船，一般采用沿地球自轉(zhuǎn)方向朝東發(fā)射，以節(jié)省一些燃料。
進(jìn)入地球軌道后，先圍繞地球飛行一段時間，好檢驗太空飛船各項儀器操作正常。然后飛船在軌道上適當(dāng)?shù)攸c加速到擺脫地球的重力場，將自己甩出去，走上追逐火星的道路。這時候它的速度，大概是地球環(huán)繞太陽的速度每秒30公里，加上第二宇宙速度，相對于太陽軌道，總共約42公里每秒鐘。
而這個時候的火星，正在以24公里每秒左右的速度環(huán)繞太陽運動，遠(yuǎn)小于宇宙飛船的速度。看起來這艘擁有速度優(yōu)勢的飛船，就在太陽的重力場中，開始爬坡追逐火星。
我們的飛船在追逐火星的過程中，速度一定得快過火星。但快追上火星時，一定得剎車減速。那要減到什么速度呢？前面說過從火星的逃逸速度是5.2公里每秒，另火星的太陽軌道速度是24公里每秒。所以，宇宙飛船要想被火星的重力場抓住，飛舟的太陽軌道速度，不能高于24+5.2=29.2公里每秒。宇宙飛船要從高速減速到29.2公里每秒，就得耗費很多燃料在剎車的反射火箭上。
這就使飛船面臨減速的困境，如果不進(jìn)行減速調(diào)整，飛船就會快速與火星擦肩而過，成為飛越狀態(tài)，最終成為太陽系的“流浪漢”。但也不能過度減速，如果速度過低，飛船就無法進(jìn)入平穩(wěn)的火星軌道，將墜毀于火星。
還以上一次我們提到的水手號為例，它相當(dāng)于在和地球、火星一起作圍繞太陽的編隊飛行，只不過三者速度不一，但目的還是要和火星去會和。
在這個過程中，航天器要自發(fā)地在中途適當(dāng)調(diào)整速度，做航線的修正。由于地球軌道對我們來說，比較近比較熟悉容易控制。因此這種修正，一般會發(fā)生在任務(wù)早期，宇宙飛船圍繞地球軌道運行的時段。當(dāng)然也可借用地球重力助推的方式，節(jié)省去火星火箭所需攜帶的燃料。重力助推的道理，同樣應(yīng)用在人類對金星、水星、木星和土星等的探索中。
從地球軌道去別的行星的的航天器，一般在出發(fā)的時候，故意不精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)星球。因剛發(fā)射的飛船，如果發(fā)生故障，而又瞄準(zhǔn)了目標(biāo)，就會撞向星球，造成對星球的污染。所以宇宙飛船，都要等到飛行好幾個月后，所有機件都正常穩(wěn)定操作后，才把火星移到目標(biāo)的靶心。
此外，航天器造價高昂人盡皆知，因此人類對太空的探索，大部分都采取了非常經(jīng)濟的方案，用最少的能量，盡量實現(xiàn)更多的目的。即便是增添預(yù)算，也都要有科學(xué)的依據(jù)，比如增加安全系數(shù)規(guī)避風(fēng)險，或適應(yīng)發(fā)射窗口，減少飛行用時等。
人類的飛船，去火星單程的路上，就要克服許多的艱難險阻。如想要火星飛船執(zhí)行雙程來回的任務(wù)，則更加不容易。在人類未來實現(xiàn)登陸火星夢想的過程中，還有哪些問題等著我們？一起來期待下一期吧！