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为什么火星探测窗口每26个月才一次?

  今天起,正式开始跟国家航天局合作撰写关于火星探测的科普图文,保持周更,一直伴随天问写下去。这里是第一篇
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  地球是在人类已知宇宙中唯一存在生命的星球,它有两个重要的邻居,金星和火星。金星已被证实是一个常年表面温度超过460摄氏度、大气压是地球海平面90余倍的恶劣高温高压环境,空气中弥漫着各类有毒硫化物,几乎没有价值探测开发。相较而言,另一个邻居火星就成为人类迈向跨行星生存物种的下一站。但是,对它探测的机会每26个月才会出现一次。
  地球和两个邻居的对比
  地球处在太阳系较内侧位置,与太阳平均距离约为1.5亿千米,即1个标准天文单位的长度。火星距离太阳要远一些,平均大约是2.3亿千米。按照天文学家开普勒总结行星运动得到的三大定律:行星距离太阳越远,运动速度就会越慢,环绕一周的距离也会越长,最终环绕太阳的轨道周期越长。
  具体对比而言,地球需要约365天环绕太阳一周,火星需要约687天。火星的轨道是偏心率为0.09的椭圆,地球轨道则接近正圆。这意味着地球和火星之间的距离在时刻复杂变化,最远在太阳两侧面面相对时可远至4亿千米,最近时也会超过5000万千米。
  2000-2022年地球和火星距离变化,各探测任务在太空中飞行的时间区间
  从地球的视角来看,每隔大约780天才能和火星最接近一次,这个时间又叫做会合周期,大约是26个月。从几何角度解释也容易理解:假设二者都是纯圆轨道,在780天内地球运行了2周49度角,火星运动了1周49度角。好比是操场中两个人跑步,内圈跑得比较快的那个人,套了外侧比较慢的那个人1圈,二者再次会合。
  地球和火星的轨道周期、会合周期示意图
  地球距离火星一般都非常远,探测难度很大。人类现有的以化学燃料为核心动力的火箭性能依然有限,远远比不过科幻作品中动辄以极快速度运动的飞船和火箭,人类并不能随心所欲的不在乎地球和火星之间距离。但是如果利用这个会合时间点附近的窗口探测,成功率就会高很多。人类对火星的探测始于1960年代,基本都要利用一次次会合周期打开的探索窗口出发探测。但即便如此,总体的探测成功率依然不足一半,火星探测的技术难度可想而知。
  需要注意的是,探测器并不是在地球和火星精确会合的时间出发,而是需要通过规划,提前几个月出发。当地球和火星实际会合时,探测器往往仅在半程。
  对于2020年,新一次的火星探测时间窗口出现在7-8月份,但地球和火星会合的时间点在10月初,地球和火星距离"仅有"6200万千米。这依然是地球和月球平均距离的160倍!
  火星探测霍曼转移轨迹示意图
  在实际飞行时,探测器需要在太阳系中完成一个大椭圆飞行轨道,又叫做霍曼转移轨道。火星和地球轨道形状不同,每次会合时二者的相对几何位置也不尽相同,探测的最佳发射窗口会因此变化。
  此外,火箭的发射条件会由于总装调试进程、火箭状态和天气等原因推迟,因而人类也并不需要严格遵循26个月的间隔,这仅是理论值。例如,2011年11月26日好奇号火星车发射,它和2013年11月18日发射的大气专家轨道器仅相隔24个月,但2016年3月14日出发的微量气体轨道器却和大气专家轨道器相隔了28个月。更特殊的如2009年的探测窗口,地球和火星会合时距离也非常远,这个窗口大家在规划时直接跳过了。
  由于各探测窗口条件不同,各探测器使用的火箭性能和飞行方案不同,最终的探测器霍曼转移轨道飞行距离可以轻易长达4-7亿千米,耗时6-11个月不等。对于2020年从地球出发的几个火星探测器而言,大致都需要7个月左右时间,于2021年2月前后分别抵达。
  (本文已首发国家航天局官网)
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