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发布日期:2020年07月30日
火星探测系列之一
我们如何奔向火星?

仰望苍穹,漫漫宇宙中,我们是否孤独?是否在另一个星球上,也存在着和我们相似的生物和文明?

众多星球中,火星是备受关注的一颗。它是太阳系中从内往外第四颗行星,地球的邻居,与地球非常相似,直径约为地球的一半,质量约为地球的11%,火星日的长度与地球相当,而火星年的长度约为地球年的2倍。不少专家认为,火星的现在就是地球的未来,因此开展火星探测和研究,不仅有助于探究火星,也有助于借此探究地球的过去和未来,为人类寻找可能的未来家园。

如何去往火星呢?先让我们回顾一下如何离开地球。这件事要从1665年的伦敦大瘟疫说起,那时剑桥三一学院的牛顿也像我们一样在乡下自我隔离。传说有一天牛顿在苹果树下思考时被一颗苹果砸中了脑袋,接着联想到月亮从没掉下来过,受此启发推导出万有引力定律。笔者一直很好奇这个传言的细节,而且高度怀疑牛顿被砸的那一刻可能只想着要把苹果有多远扔多远。

我们都知道扔苹果的时候,用力越大,出手速度越快,苹果就扔得越远,但它早晚会掉到地上。那我们扔得再用力点,速度再快点呢?显然,它可以被扔得更远。理想假设下,只要出发速度快,从北极扔到南极也未必不可能。那我们再用力点呢?苹果就可以飞跃南极,甚至回到北极,回到我们出手的那个位置,接着再来“亿”遍。于是我们知道了,当苹果被扔出的速度超过某个速度时,它不再掉回地球,而是环绕地球做圆周运动。这个速度被科学家们称之为“第一宇宙速度”(环绕速度),在地球上是7.9 千米/秒。月球绕着地球做高速圆周运动,这正是月亮不会掉下来的主要原因。

要离开地球的话,第一宇宙速度还不够,我们需要再加速,加速到第二宇宙速度(逃逸速度)约11.2 千米/秒。这时候才可以离开地球,那么需要付出的代价是什么呢?以阿波罗计划为例,运载火箭土星五号的全重是3000吨,仅能运送45吨—48吨的飞船到地月转移轨道,值得一提的是它在燃烧第一级时,每秒钟就烧掉13吨燃料,足够一辆家用小汽车绕地球四圈。

离开地球之后就可以踏上前往火星的道路了吗?还差点。

事实证明有个好的路线规划能省很多燃料。1925年,沃尔特·霍曼博士就提出了利用太阳引力的霍曼转移轨道,这条线路最省能源。

他的思路就是在地球轨道和火星轨道之间找到一条环绕太阳的椭圆路线。这个椭圆与地球轨道外切,同时与火星轨道内切。以出发时的地球为近日点,相对于太阳的速度最大,达到32.7千米/秒,以到达时的火星为远日点,相对于太阳的速度最小,只有21.5千米/秒。全过程只需要做两次加速,一次离开地球轨道,进入霍曼转移轨道,另一次离开霍曼转移轨道,进入火星轨道,需要从21.5千米/秒,加速到火星的公转速度24.5千米/秒。

不用做太多加速,看起来很省燃料,但也真的很花时间。由于各探测窗口不同,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达4亿—7亿千米,探测器要飞行6个月—11个月不等。实际情况也很复杂,中间需要做很多的计算,只有大型专业的航天机构才能完成。

对此,《下一站火星》中有这样一个比喻:这有点类似让一个人在滑翔机上(运动速度较快的地球)扔(发射)一粒小石子(探测器), 在提前很远的地方(发射窗口),中间有风和空气影响(恒星和行星等各种引力源),准确穿过地面一辆左右前后运动(火星围绕太阳运动轨道倾角不同,有大偏心率)的小汽车(运动速度较慢的火星)天窗(引力影响范围,希尔球)后,再掉到司机的水杯里(环绕火星轨道)。即便不考虑着陆,探测火星的难度也已经可想而知。

飞行的时间长是一个方面,另一方面等待离开地球进入霍曼转移轨道的时机,也就是发射窗口,也很漫长。按霍曼的要求,当地球和火星相对于太阳的夹角约70度时才能发射。而这一时间窗口约每26个月才会出现一次,如果错过了就又是一次漫长的等待。因此,最近的发射窗口就是今年的7—8月份。

(中国科学院上海天文台天之文科传团队供稿)

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