2020年7月23日,海南文昌航天发射场,长征五号遥四运载火箭搭载着天问一号火星探测器发射升空。这是中国自主发射的第一颗火星探测器,它将在大约7个月后到达火星附近,被火星捕获后进入环火轨道,并进行着陆、巡视等火星科学探测任务。
天问一号发射升空
你知道地球上的探测器是如何飞到火星上的吗?为什么要经历7个月的时间?所谓的窗口期又是什么意思?这篇文章会告诉你答案。

1霍曼转移轨道
1925年,德国工程师瓦尔特·霍曼提出了一种非常节约燃料的变轨方式,后来美国和苏联的航天器都借鉴了这种方法,我们称之为霍曼转移轨道。

霍曼转移轨道的基本原理非常简单:假如一个航天器正在围绕某天体O运动,最初沿着较小的1轨道运动,我们希望它来到较大的3轨道,即可以按照如下的操作进行:
  • 首先,航天器在1轨道上某点A点火喷气加速。由于航天器速度增加,万有引力不足以将它束缚在原来的轨道上,航天器的轨迹就会向外展开,变成椭圆形轨道2。此时,航天器所处的A点就是椭圆形轨道的近地点。
  • 随后,关闭航天器的喷气装置,让航天器凭借自身惯性从A点飞往B点。这个过程中由于克服中心天体的引力做功,航天器会自然减速。
  • 最后,在航天器到达B点后,再次启动发动机喷气,航天器再次加速,它就会从椭圆轨道2跳跃到圆形轨道3上。随后关闭发动机,在万有引力的作用下,航天器就会在新的圆形轨道上围绕地球运动了。
霍曼转移轨道
这种轨道转移方式其实就是用一个椭圆轨道连接了两个圆形轨道:如果想从小轨道转移到大轨道,就需要两次加速;反之,如果要从大轨道转移到小轨道,就需要两次减速。霍曼转移轨道既可以实现航天器从地球轨道飞向其他行星,也可以实现被目标星球捕获和降落的过程。只不过,在实际的航天飞行过程中,一般都是多次加速和减速后实现变轨的。
现在我们把霍曼转移轨道用到天问一号上:在脱离地球后,天问一号在地球轨道上飞行,速度大约29.8km/s。通过加速,探测器速度变为32.7km/s,从而进入地火转移轨道。经过大约260天飞行后,探测器来到火星轨道,此时探测器的速度是21.5km/s,再通过点火加速,让探测器的速度变为24.1km/s,就会进入火星轨道了。
地火转移轨道

2卫星发射窗口期

在我国发射天问一号之前两天,阿联酋的首颗火星探测器希望号也在日本发射升空。为什么这么多的火星探测器都一定要集中在这几天发射呢?

日本鹿儿岛县种子岛宇宙中心发射阿联酋新希望号
这是因为:要顺利实现登陆火星的计划,必须让探测器到达火星轨道时,火星也刚好运动到附近,这就对探测器发射的时机有一定的要求:地球、火星必须处于特定的位置才能够发射,我们称之为发射窗口期。地球围绕太阳运动的轨道半径大约1.5亿公里,周期365天,火星绕太阳运动的轨道半径大约2.3亿公里,周期687天。地球运动的快,火星运动的慢,每隔780天,地球就会扣火星一圈,出现一次发射窗口期。
如何才能计算出窗口期呢?400年前,天文学家开普勒提出了行星运动的三大定律。其中第三定律说:
行星围绕太阳运动轨道半长轴的三次方与周期的平方的比值是相同的。
行星围绕太阳都是做椭圆轨道运动的,椭圆有长轴和短轴。长轴长度的一半就叫做半长轴a。如果我们把行星的轨道近似为圆形,那么圆轨道的半径r就是半长轴。
椭圆的半长轴
通过开普勒第三定律,我们可以知道:轨道半径越大的行星,它的周期也越大。比如:水星是轨道半径最小的行星,因此周期周期只有88天。海王星轨道半径最大,它绕太阳公转一圈需要165年。   地火转移轨道一端顶在地球轨道上,另一端顶在火星轨道上,所以它的长轴长就是地球半径和火星半径之和,半长轴为:

根据地球的公转半径、周期以及地火转移轨道的半长轴,再结合开普勒第三定律,就能够计算出探测器从地球轨道飞到火星轨道的时间了。
椭圆形轨道的周期是520天,从地球轨道飞到火星轨道只需要经过半个椭圆,所以需要大约260天的时间。在这260天中,探测器和太阳的连线会转过180度角,火星和太阳的连线会转过136度角,所以,在发射时,地球和火星的夹角必须是180-136=44度。这就是发射窗口期的含义。错过了这个窗口期,就需要再等2年多,才能迎来下一个发射窗口了。
天问一号发射时地球和火星的位置关系
3天问一号要干什么?
天问一号探测器到达火星附近后,要适时进行减速,从而被火星捕获,从地火转移轨道跳跃到环绕火星运动的轨道上。这个过程就像踩刹车,时机必须刚刚好。踩得轻了,探测器会飞离火星;踩得狠了,探测器就会撞到火星表面上。而且,踩刹车的时机只有那么一瞬间,成败在此一举。这是天问一号测试的第一项任务:中国人能否准确发射探测器到火星轨道上,并环绕火星运动。

天问一号减速被火星捕获
如果第一项任务成功了,天问一号的环绕器和着陆巡视器就会发生分离,环绕器依然环绕火星运动,巡视器通过再次减速降落到火星表面上。
天问一号着陆器和环绕器分离

着陆器进入火星大气的过程是一个非常惊心动魄的过程。由于高速运动,着陆器周围的大气会被电离,从而形成静电屏蔽效果,隔绝巡视器内外的一切联系,这个过程称为黑障。一切对轨道的修正只能依靠巡视器自己完成。世界各国已经发射了15个探测器进入火星大气层,成功着陆的只有7个。这就是天问一号的第二个实验:验证我国设计的航天器能否降落在火星表面上。
着陆器进入火星大气层
如果第二个任务也成功完成了,着陆器降落在火星表面上,它将释放出火星车,在火星表面进行巡视探测。进行火星的土壤、大气、磁场等方面的研究,这是天问一号的第三个实验任务。如果绕、落、巡三个任务都能顺利完成,我国将一次完成美国人25年走过的宇宙探索道路。
天问一号火星车

火星一直以来是人类十分向往的星球,因为火星的环境与地球最为接近,许多科幻小说都描绘了火星人的故事。小时候我看过一部电视剧《火星叔叔马丁》,给我留下了十分深刻的印象。

《火星叔叔马丁》

载人航天之父齐奥尔科夫斯基说过:地球是人类的摇篮,但是人类不会永远留在摇篮里。也许真的有一天,人类会在火星上建立殖民地,天问一号必将作为一个先行者被载入史册。我们祝天问一号一路顺风。
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