超级2020的超级预测中国首次火星探测任务飞行轨迹预判

　　2020年被称作中国航天的超级年，这是因为，相比过去，2020年中国航天的起点更高、任务更重、期待更大。多个国家航天重大工程将完成收官或正式启动，多个宇航型号首飞在即，全年发射数量和密度将再创新高。
　　尤其是，2020年，中国将首次执行火星探测任务，并且是在一次任务内实现＂绕、着、巡＂的目标，这将是其他国家第一次实施火星探测从未有过的经历。不过这些令人期待的亮点都不是本文要跟大家谈的重点，这里要跟大家探讨一下，从地球到火星，咱们的火箭应该怎么走。
　　火星＂大冲＂一、路线选择的第一个因素：经济成本
　　从地球发射火箭到火星需要消耗大量的燃料来提供动力，第一部分的燃料消耗主要是用于摆脱地球引力的束缚，这个了解卫星发射和咱们嫦娥探月的小伙伴们都是了解的；第二部分燃料消耗是在进入火星轨道的时候探测器需要减速；第三部分燃料消耗，可能知道的人不多，那就是探测器进入到火星轨道之后的减速过程。
　　尽管，探测器从地球发射出去以后，在飞往火星的途中，随着轨道升高，其速度逐渐降低的，但是在靠近火星被火星引力俘获，随后进入火星大气层的过程中，探测器会再次被加速，其速度会高达20倍的超高音速。
　　着陆器进入火星大气层
　　如果关注过，美国的＂勇气号＂或者是＂机遇号＂火星车着陆的画面，大家可能就了解，它有两个减速过程，其一是在高空张开降落伞，依靠火星大气的阻力来减速；其二是在即将着陆前，点燃反推火箭，利用火箭将着陆速度和姿态调整到安全范围之内。
　　由于我国这次火星探测任务同时包含＂绕、着、巡＂三个目标，所以就需要同时携带发射燃料、火星环绕轨道减速燃料及火星着陆器反冲燃料，换句话说，就是需要携带比单一任务更多的燃料。当然了，具体燃料的消耗量，也受到有效载荷的影响。发射的有效载荷质量越高，就需要更多的燃料。
　　火星着陆器降落演示图二、路线选择的第二个因素：时间窗口
　　火星与地球的相对距离以26个月为周期不断的变化，当它们距离最近时，也被称为相冲。出现相冲的时间间隔称为会合周期，通常会合周期就是发射窗口出现的周期（当然还有考虑其他因素），此时，太阳、地球和火星同处一条直线上，此时发射探测器明显更经济。
　　一旦错过这个时间窗口，我们就必须等待下一个，而这一等就将是漫长的26个月。地球与火星的会合周期是26个月，因此探测火星的发射窗口每隔26个月出现一次。由于今年的火星大冲日是10月14日，所以我国的火星探测火箭预计是年底前发射。
　　火星、地球、太阳排成直线三、利用双切轨道节省燃料
　　地球和火星都在沿着各自的公转轨道围绕太阳旋转，从理论上说，从地球出发到达火星可以有无数种路线。不过星际航行中的前进路线可不是地面上的两点间直线最短，而是科学家们经过计算发现的＂双切转移轨道＂。
　　这种轨道又被称为＂霍曼转移轨道＂，是1925年，德国太空工程师霍曼提出来的一种基于两次冲量，可以使探测器在行星轨道之间转换时，可以利用外切于地球的公转轨道，而内切于火星轨道的椭圆轨道，从而实现消耗最少的燃料目标。
　　双切轨道示意图
　　以2020年中国的火星探测为例：
　　探测器将以大于第二宇宙速度，即11.2Km/s（相对于地球）相对于太阳的速度还要增加一个地球的轨道公转速度，即41.2Km/s的速度从地球发射，并顺着地球公转方向脱离地球引力，进入太阳引力的影响范围之内，此时的探测器将以太阳为近焦点做椭圆轨道运动。
　　也就是说，探测器是从椭圆轨道近焦点离开地球的，探测器在地球上的发射速度决定了这个椭圆轨道的大小。速度越快，椭圆轨道就越扁长，如果这个椭圆轨道足够扁长，那么探测器就会沿着自身的椭圆轨道不断向火星轨道靠近。通过精确的计算，探测器就会在椭圆轨道与火星的公转轨道的内切点处相遇。
　　火星探测器采用霍曼转移轨道示意图
　　如果探测器椭圆轨道的远日点正好与火星公转轨道内切，探测器就可以在消耗最少燃料的情况下到达火星。虽然这条轨道不是一条直线的最短距离，但是在牺牲了部分时间和路程的情况下，确实能够做到最省燃料，实现经济性和实用性的平衡。电影《星际穿越》中就利用了大黑洞的引力弹弓效应借力飞行，其本质上也是采取了 ＂霍曼轨道＂。
　　电影《星际穿越》截图四、中国火星探测器轨道选择
　　有了前面的分析，我们现在来看一下，中国的第一次火星任务，最有可能的实际飞行路线。在实际操作中，没有一次发射会跟＂霍曼转移轨道＂完全契合，这是因为，控制火箭在近日点或者是远日点与目标行星相遇需要花费一定的时间。
　　所以在实际操作上，科学家们都是采用近似＂霍曼转移轨道＂的速度，或者是通过改变发射方向，最终在近日点或者是远日点与目标行星交会。可见在实际操作中，还是需要根据实际情况，灵活选择实际轨道路线。
　　中国胖五运载火箭发射
　　从目前公布的中国火星探测发射时间为2020年年底前发射这个时间点上看，我们的火箭相当于增加了从地球轨道向高轨道（火星轨道）的攀升高度，从后面追赶上火星。这就利用了太阳的引力，进一步降低了火箭与木星交会时候的速度，从而实现减少燃料消耗的目的。
　　经过大约200天左右的飞行，火星探测器将于2021年7月份与火星实现交会。此时，再利用反冲发动机减速，实现探测器和着陆器顺利被火星俘获，成为一颗环绕火星运行的卫星。接下来的着陆操作我们就留在以后的文章里另行说明。
　　结束语
　　从前文的技术性分析可以得到这样的结论，中国的首次火星探测任务最有可能的是采用接近＂霍曼转移轨道＂的路线，通过各种路径优化，实现燃料节省和时间平衡。
　　本文只是对这次火星探测任务的一个路径预测，具体我国这次火星探测的真实路线怎么走，我们还要看当时的具体操作。
　　欢迎读到此文的小伙伴们，到时候给我做一个监督，看看我这次的判断是否准确。关于这个话题，如果您还有其它不同意见，欢迎在下面的评论区留言参与。