2020年被稱作中國航天的超級年，這是因為，相比過去，2020年中國航天的起點更高、任務更重、期待更大。多個國家航天重大工程將完成收官或正式啟動，多個宇航型號首飛在即，全年發射數量和密度將再創新高。
尤其是，2020年，中國將首次執行火星探測任務，並且是在一次任務內實現“繞、著、巡”的目標，這將是其他國家第一次實施火星探測從未有過的經歷。不過這些令人期待的亮點都不是本文要跟大家談的重點，這裡要跟大家探討一下，從地球到火星，咱們的火箭應該怎麼走。
火星“大沖”
一、路線選擇的第一個因素：經濟成本
從地球發射火箭到火星需要消耗大量的燃料來提供動力，第一部分的燃料消耗主要是用於擺脫地球引力的束縛，這個瞭解衛星發射和咱們嫦娥探月的小夥伴們都是瞭解的；第二部分燃料消耗是在進入火星軌道的時候探測器需要減速；第三部分燃料消耗，可能知道的人不多，那就是探測器進入到火星軌道之後的減速過程。
儘管，探測器從地球發射出去以後，在飛往火星的途中，隨著軌道升高，其速度逐漸降低的，但是在靠近火星被火星引力俘獲，隨後進入火星大氣層的過程中，探測器會再次被加速，其速度會高達20倍的超高音速。
著陸器進入火星大氣層
如果關注過，美國的“勇氣號”或者是“機遇號”火星車著陸的畫面，大家可能就瞭解，它有兩個減速過程，其一是在高空張開降落傘，依靠火星大氣的阻力來減速；其二是在即將著陸前，點燃反推火箭，利用火箭將著陸速度和姿態調整到安全範圍之內。
由於我國這次火星探測任務同時包含“繞、著、巡”三個目標，所以就需要同時攜帶發射燃料、火星環繞軌道減速燃料及火星著陸器反衝燃料，換句話說，就是需要攜帶比單一任務更多的燃料。當然了，具體燃料的消耗量，也受到有效載荷的影響。發射的有效載荷質量越高，就需要更多的燃料。
火星著陸器降落演示圖
二、路線選擇的第二個因素：時間窗口
火星與地球的相對距離以26個月為週期不斷的變化，當它們距離最近時，也被稱為相沖。出現相沖的時間間隔稱為會合週期，通常會合週期就是發射窗口出現的週期（當然還有考慮其他因素），此時，太陽、地球和火星同處一條直線上，此時發射探測器明顯更經濟。
一旦錯過這個時間窗口，我們就必須等待下一個，而這一等就將是漫長的26個月。地球與火星的會合週期是26個月，因此探測火星的發射窗口每隔26個月出現一次。由於今年的火星大沖日是10月14日，所以我國的火星探測火箭預計是年底前發射。
火星、地球、太陽排成直線
三、利用雙切軌道節省燃料
地球和火星都在沿著各自的公轉軌道圍繞太陽旋轉，從理論上說，從地球出發到達火星可以有無數種路線。不過星際航行中的前進路線可不是地面上的兩點間直線最短，而是科學家們經過計算發現的“雙切轉移軌道”。
這種軌道又被稱為“霍曼轉移軌道”，是1925年，德國太空工程師霍曼提出來的一種基於兩次衝量，可以使探測器在行星軌道之間轉換時，可以利用外切於地球的公轉軌道，而內切於火星軌道的橢圓軌道，從而實現消耗最少的燃料目標。
雙切軌道示意圖
以2020年中國的火星探測為例：
探測器將以大於第二宇宙速度，即11.2Km/s（相對於地球）相對於太陽的速度還要增加一個地球的軌道公轉速度，即41.2Km/s的速度從地球發射，並順著地球公轉方向脫離地球引力，進入太陽引力的影響範圍之內，此時的探測器將以太陽為近焦點做橢圓軌道運動。
也就是說，探測器是從橢圓軌道近焦點離開地球的，探測器在地球上的發射速度決定了這個橢圓軌道的大小。速度越快，橢圓軌道就越扁長，如果這個橢圓軌道足夠扁長，那麼探測器就會沿著自身的橢圓軌道不斷向火星軌道靠近。通過精確的計算，探測器就會在橢圓軌道與火星的公轉軌道的內切點處相遇。
火星探測器採用霍曼轉移軌道示意圖
如果探測器橢圓軌道的遠日點正好與火星公轉軌道內切，探測器就可以在消耗最少燃料的情況下到達火星。雖然這條軌道不是一條直線的最短距離，但是在犧牲了部分時間和路程的情況下，確實能夠做到最省燃料，實現經濟性和實用性的平衡。電影《星際穿越》中就利用了大黑洞的引力彈弓效應借力飛行，其本質上也是採取了 “霍曼軌道”。
電影《星際穿越》截圖
四、中國火星探測器軌道選擇
有了前面的分析，我們現在來看一下，中國的第一次火星任務，最有可能的實際飛行路線。在實際操作中，沒有一次發射會跟“霍曼轉移軌道”完全契合，這是因為，控制火箭在近日點或者是遠日點與目標行星相遇需要花費一定的時間。
所以在實際操作上，科學家們都是採用近似“霍曼轉移軌道”的速度，或者是通過改變發射方向，最終在近日點或者是遠日點與目標行星交會。可見在實際操作中，還是需要根據實際情況，靈活選擇實際軌道路線。
中國胖五運載火箭發射
從目前公佈的中國火星探測發射時間為2020年年底前發射這個時間點上看，我們的火箭相當於增加了從地球軌道向高軌道（火星軌道）的攀升高度，從後面追趕上火星。這就利用了太陽的引力，進一步降低了火箭與木星交會時候的速度，從而實現減少燃料消耗的目的。
經過大約200天左右的飛行，火星探測器將於2021年7月份與火星實現交會。此時，再利用反衝發動機減速，實現探測器和著陸器順利被火星俘獲，成為一顆環繞火星運行的衛星。接下來的著陸操作我們就留在以後的文章裡另行說明。
結束語
從前文的技術性分析可以得到這樣的結論，中國的首次火星探測任務最有可能的是採用接近“霍曼轉移軌道”的路線，通過各種路徑優化，實現燃料節省和時間平衡。
本文只是對這次火星探測任務的一個路徑預測，具體我國這次火星探測的真實路線怎麼走，我們還要看當時的具體操作。
歡迎讀到此文的小夥伴們，到時候給我做一個監督，看看我這次的判斷是否準確。關於這個話題，如果您還有其它不同意見，歡迎在下面的評論區留言參與。
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