季芳

2020年7月，阿聯(lián)酋、中國和美國扎堆發(fā)射了各自的火星探測器“希望號”“天問一號”和“毅力號”。為什么他們都選擇了這個時間，難道火星探測也要“隨大流”嗎？其實(shí)，這是因?yàn)樘煳膶W(xué)家們計算出來，2020年的7～8月是火星探測的窗口期，探測器在這段時間從地球上出發(fā)能用最少的燃料和最短的時間到達(dá)火星。

現(xiàn)在，就讓我們跟著天文學(xué)家算一算這個窗口期吧。

根據(jù)數(shù)學(xué)知識，我們知道兩點(diǎn)之間線段最短，但這兩點(diǎn)指的是靜止的兩點(diǎn)，而火星和地球則保持著永不停歇的公轉(zhuǎn)運(yùn)動，并且地球的公轉(zhuǎn)軌道比火星要小，公轉(zhuǎn)速度比火星要快一些。想象一下，火星和地球是環(huán)形跑道上的兩個運(yùn)動員，地球跑的是內(nèi)圈，而且速度要更快一些。如果地球上的人在地球和火星并排時（即火星和地球轉(zhuǎn)到太陽的同一側(cè)且連成一線的現(xiàn)象，天文學(xué)上將這種現(xiàn)象稱為“火星沖日”）向其投擲物品，這個物品的速度跟地球的相同，比火星更快，最終這個物品是不是會掉到火星的前方呢？因此，最適合的投擲時間應(yīng)是火星比地球領(lǐng)先一段距離的時候，這樣火星才能穩(wěn)穩(wěn)“接住”探測器。

1925年，德國工程師沃爾夫?qū)せ袈岢隽艘粭l發(fā)射探測器的最經(jīng)濟(jì)路線，稱之為霍曼轉(zhuǎn)移軌道。這個方案中，探測器從地球上發(fā)射后，初始速度與地球相同，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后將略微改變它的前進(jìn)方向和速度，使得探測器的運(yùn)動軌道變成橢圓形，最后在某個點(diǎn)與火星交會。沿著這條軌道飛往火星，所需要的初速度和抵達(dá)火星時的速度都是最小的，這樣就能最大限度地減少燃料的消耗。

根據(jù)計算，探測器沿這條橢圓形的霍曼轉(zhuǎn)移軌道前往火星，單程大約需要259天?；鹦枪D(zhuǎn)一周的時間約為1.88年，在探測器259天的航行時間中，火星移動的距離對應(yīng)的圓心角大約135.5°。因此我們可以得出結(jié)論，探測器出發(fā)時，火星與地球的夾角為44.5°。當(dāng)火星位于地球前方，兩者之間夾角為44.5°時，我們將探測器發(fā)射出去，讓它的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道呈現(xiàn)橢圓形，飛行約259天就可以到達(dá)火星。

2020年的七八月份，地球和火星正處于這個理想位置上，如果錯過這個時間，這樣的理想位置大約要再等上779天才會出現(xiàn)，所以世界各國才會爭相在7月份的時候發(fā)射火星探測器。