为什么发往火星的航天器，要在同一时间段出发？

本文来自于微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：贾瑛卓（中国科学院月球与深空探测总体部、中国科学院国家空间科学中心），头图来自：ArtStation

在2020年7月，有3颗航天器要从地球出发，开始它们的火星探索之旅。为什么3颗航天器都选在同一时间段发射呢？人们经常说的“发射窗口”到底是怎么回事？

航天器是如何被发射到火星的？

要回答这些问题，要从地球和火星的轨道说起。

开普勒第一定律告诉我们：行星绕着太阳运行的轨道是椭圆形的，太阳位于椭圆的一个焦点上。而地球和火星是太阳系里两颗行星，它们以不同的公转速度在各自的椭圆轨道围绕太阳运行。

地球的轨道是偏心率近似于0的椭圆，公转周期是365个地球日，而火星的轨道是偏心率为0.093的椭圆，公转周期是686.98个地球日。因此，地球与火星的距离无时无刻不在发生变化，它们之间距离最近时有5500万公里，最远时超过4亿公里。然而，从地球飞到火星，并不是在距离最近时直接飞过去就行。

当航天器从地球发射时，它的前进速度加上地球的引力使它沿弯曲的路径飞行。飞行过程中，其他行星的引力也会影响它的行驶路径。航天器在发动机关闭的情况下越能滑行，执行任务的成本就越低（火箭燃料并不便宜）。

发射到火星与此类似。航天器被给予驶向火星的初始动力，然后关闭发动机并滑行(遵循牛顿第一定律)，直到接近火星。根据任务的不同，航天器可能会减速进入火星轨道，或在火星表面着陆。

图片来源：NASA

怎样发射效率最高？

虽然航天器从地球到火星可以沿着各种各样的弯曲路径飞行，但其中一条被称为“霍曼转移轨道”（Hohmann transfer orbit）的路径消耗的能量最少，因此被认为是效率最高的路径。

德国工程师“瓦尔特·霍曼”在他1925年出版的著作《天体可达性》中，首次提出“霍曼转移轨道”的方法，即利用星体引力产生能量，从而变换航天器的轨道。航天器采用“霍曼转移轨道”，从低轨道转移到高轨道过程中，只需两次发动机点火推进，所以会相对地节省燃料。因此，航天器在通过霍曼转移轨道进行轨道转移时，消耗的能量最少。

图片来源：NASA

但是，如何保证航天器从地球出发，通过“霍曼转移轨道”到达火星轨道时，恰好火星就在那里呢？这就需要轨道工程师进行复杂的轨道计算，在航天器从地球发射时，地球、太阳和火星要处于合适的位置关系。

这个地球、太阳与火星相对位置合适的时间段就被称为发射窗口。而发射窗口，几乎每隔26个月左右，也就是两年多一点的时间才会出现一次。因此，我们看到一系列火星探测器都是差不多相隔26个月发射的。

国际火星探测代表性任务发射时间（图片来源：NASA、ESA、印度空间研究组织（ISRO））

2020年7月至8月是地球26个月一次的火星发射窗口，到时候将有三个航天器从地球发射去往火星：阿联酋“希望”号火星探测器、美国“毅力号”火星车和中国“天问一号”火星探测器。

阿联酋科研人员对“希望”号进行测试（图片来源：阿联酋航天局）

毅力号火星车渲染图（图片来源：NASA）

中国天问一号火星探测器概念图（图片来源：国家国防科技工业局）

祝愿这些火星旅客一切顺利！

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