為何各國“探火”都計劃七八月升空？
2020-07-08

　　目前，計劃在7—8月擇機發射的美國“毅力號”火星探測器和阿聯酋“希望號”火星探測器已進入發射“倒計時”。而我國首次火星探測任務——“天問一號”的發射也備受關注。不久前，中科院院士、航天科技集團科技委主任包為民接受央視記者采訪時透露，今年7—8月，“天問一號”將進行發射。

　　這場多國登臺的“探火”大戲讓人拭目以待。

　　在窗口期發射，省時省力省錢

　　包括中國在內，今年計劃“探火”的國家不約而同將火箭發射日期選在7—8月，這是為什么呢？

　　“今年7—8月是火星探測‘窗口期’?！敝袊茖W院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室研究員劉勇表示，火星和地球幾乎在同一軌道面圍繞太陽公轉，地球公轉周期為1年，火星公轉周期約為2年。如果在環形跑道上讓地球和火星進行一場賽跑，發令槍響后“慢吞吞”的火星大約每兩年會遇上地球一次，此時兩行星距離最近。在這一時刻前后，從地球發射火星探測器，能讓人類“探火”之旅的“趕路”時間更短、所攜燃料更少、成本更加低廉。

　　然而，即便是這最短的飛行距離，探測器仍要經歷一場“長途旅行”。

　　中國科學院空間應用工程與技術中心研究員張偉告訴科技日報記者，火星距離地球最遠約4億公里，最近也要約5600萬公里，以我國此次將要發射的火星探測器為例，需要飛行200余天才能到達遙遠的火星。

　　探測器“趕路”期間，地球和火星始終相對運動著。因此，探測器飛行軌道設計里頭藏著大學問。

　　“火星探測器往往沿著地火之間的霍曼轉移軌道飛行?！眲⒂抡f。

　　霍曼轉移軌道由德國物理學家瓦爾特·霍曼提出，是一種變換航天器軌道方法的統稱，途中只需兩次引擎推進，相對節省燃料。

　　劉勇指出，火星探測器發射升空后，先在地球附近加速，進入橢圓形的霍曼轉移軌道慣性飛行，不需耗費自身所攜燃料；等到達火星附近“剎車”減速，最終被火星捕獲。這就要求探測器發射時，火星和地球的相對位置必須提前計算好，使得探測器的霍曼轉移軌道能夠與火星公轉軌道在某一時刻相切。兩軌道的切點就是探測器將被火星軌道捕獲的空間位置，這一特定時刻就是探測器真正投入火星“懷抱”的時刻。

　　結合地球、火星的公轉周期，以及軌道設計的相關內容，科學家通過詳細周密的計算得出，在地球上每隔約26個月是發射火星探測器的最好時機，“窗口期”由此而來。

　　如果錯過今年7—8月這次“窗口期”，下次火星探測的好時機只能等到2022年。例如，歐洲空間局（以下簡稱歐空局）與俄羅斯航天局合作研發的火星探測器原定于今年7月發射，但因疫情及其他技術因素影響，不得不推遲到兩年后發射。

　　目的地相同，“趕路”時間不一

　　如果翻閱歷史資料就會發現，即便國際上歷次火星探測幾乎都沿著霍曼轉移軌道飛行，“趕路”時間卻有長有短。

　　美國發射的“水手4號”火星探測器，從距離火星1萬公里的高空處拍攝并回傳了第一張火星表面的照片。這張充滿了隕石坑的照片當時震驚了科學界。該探測器于1964年11月底發射，1965年7月中旬飛越火星，時隔8個半月。

　　與“水手4號”同一系列的“水手9號”則在“趕路”途中費時較少。該探測器于1971年5月底發射，同年11月中旬抵達，成為人類派往火星考察的第一顆人造火星衛星。飛行時間僅5個半月。

　　隨著時間推移，后續發射的火星探測器飛行時間反而有增長趨勢。

　　據此前《人民日報海外版》報道，此次我國首次火星探測任務計劃飛行7—8個月。當然，還有時間更長的“探火”之行。如1975年美國發射的“海盜1號”，耗時10個月駛向火星；2013年印度發射的“曼加里安號”，耗時11個半月才進入火星軌道。

　　目的地相同，為何“趕路”時間不一？

　　劉勇告訴科技日報記者，火星探測器飛行時間相差較大，除了工程實際中火箭的運載能力和火星探測器本身的質量以外，還有兩方面因素。

　　其一，地球、火星的公轉軌道都不是真正意義上的正圓軌道，因此即便二者距離最近時，這一最近距離也有長有短。同理，如果不是同一年“窗口期”發射的火星探測器，其飛行距離也略有差別，飛行時長自然也會有所不同。

　　“每一次‘窗口期’火星探測器飛行的距離不等，下一次探測器飛行距離最短的‘窗口期’在2035年，這在天文學上被稱為‘火星大沖’?！眲⒂抡f。

　　其二，飛行時間也與飛掠、環繞等不同的探測目標有關。飛掠火星只需靠近即可，相當于“一日游”，旅途中驚鴻一瞥，拍下幾張照片，揚長而去。環繞火星則需要在特定時刻“剎車制動”，進入火星軌道成為人造火星衛星，相當于“深度游”，此后扎根在火星周圍，直至生命終結。因此，當探測器以環繞火星為任務目標時，其所攜帶的燃料更多，變軌相對復雜，飛行時間也相對長些。

　　除了飛行時間不一外，火星探測作為一項系統工程，還有很多耐人尋味的科學問題值得探究。正如劉勇所言：“航天工程是人類的科技極限挑戰，具有極高的風險性。期待我國首次自主火星探測任務圓滿成功?！?/p>

　　火星魅力讓“探火”大軍日益壯大

　　國際火星探測始于20世紀60年代。90年代以來，火星探測迎來又一高潮，相關科研任務進行得如火如荼，包括美、俄、日、歐、印等國在內的“探火”大軍日益壯大。截至目前，火星探測任務已實施40余次，其中美國20余次，蘇聯/俄羅斯實施次數緊隨其后，日本、歐空局和印度也分別進行過“探火”任務?；鹦趋攘χ?，可見一斑。

　　那么，各國為何對火星如此“鐘情”？

　　“火星是太陽系內與地球特點最為接近的行星，是人類未來移民的首選地?！?張偉表示，火星上的重力約為地球的2/5，具備較稀薄的大氣——大氣成分為95%的二氧化碳、3%的氮氣、很少的氧氣和水汽等，且可能存在水資源，通過合理改造有希望成為未來人類可以駐留的地外生存空間。

　　“再者，火星探測的科學價值十分突出?！眲⒂略诮邮芸萍既請笥浾卟稍L時如是說。

　　是什么原因導致火星失去了水？它怎樣從一個藍色星球變成現在一片荒漠的紅色星球？其大氣、環境是如何演化的？火星的今天有沒有可能就是地球的明天？這些都是科學家們想要通過相關探測去解答的問題。

　　此外，張偉指出，火星探測是涉及眾多高新技術領域的系統工程，要解決軌道設計、自主姿態確定與控制、著陸導航、熱控制、輻射防護、遙操作與遙分析、深空測控通信等技術問題，能夠帶動系統工程、自動控制、能源、材料、通信、遙感等眾多領域的迅速發展，也是一個國家科技實力和創新能力的重要體現?！霸趪H競爭日趨激烈的今天，火星探測已成為目前及未來很長一段時期國際航天大國競爭的主要‘競技場’?！睆垈フf。