大科技杂志社官方网站飞往火星的最佳时机是何时?

 2022-01-12 23:24:14    4  

  2020年7月,阿联酋、中国和美国扎堆发射了各自的火星探测器“希望号”“天问一号”和“毅力号”。为什么他们都选择了这个时间,难道火星探测也要“随大流”吗?其实,这是因为天文学家们计算出来,2020年的7~8月是火星探测的窗口期,探测器在这段时间从地球上出发能用最少的燃料和最短的时间到达火星。

  现在,就让我们跟着天文学家算一算这个窗口期吧。

  根据数学知识,我们知道两点之间线段最短,但这两点指的是静止的两点,而火星和地球则保持着永不停歇的公转运动,并且地球的公转轨道比火星要小,公转速度比火星要快一些。想象一下,火星和地球是环形跑道上的两个运动员,地球跑的是内圈,而且速度要更快一些。如果地球上的人在地球和火星并排时(即火星和地球转到太阳的同一侧且连成一线的现象,天文学上将这种现象称为“火星冲日”)向其投掷物品,这个物品的速度跟地球的相同,比火星更快,最终这个物品是不是会掉到火星的前方呢?因此,最适合的投掷时间应是火星比地球领先一段距离的时候,这样火星才能稳稳“接住”探测器。

  1925年,德国工程师沃尔夫冈·霍曼提出了一条发射探测器的最经济路线,称之为霍曼转移轨道。这个方案中,探测器从地球上发射后,初始速度与地球相同,发动机点火后将略微改变它的前进方向和速度,使得探测器的运动轨道变成椭圆形,最后在某个点与火星交会。沿着这条轨道飞往火星,所需要的初速度和抵达火星时的速度都是最小的,这样就能最大限度地减少燃料的消耗。

  根据计算,探测器沿这条椭圆形的霍曼转移轨道前往火星,单程大约需要259天。火星公转一周的时间约为1.88年,在探测器259天的航行时间中,火星移动的距离对应的圆心角大约135.5°。因此我们可以得出结论,探测器出发时,火星与地球的夹角为44.5°。当火星位于地球前方,两者之间夹角为44.5°时,我们将探测器发射出去,让它的运转轨道呈现椭圆形,飞行约259天就可以到达火星。

  2020年的七八月份,地球和火星正处于这个理想位置上,如果错过这个时间,这样的理想位置大约要再等上779天才会出现,所以世界各国才会争相在7月份的时候发射火星探测器。

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