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多个火星探测器计划七八月升空 为何各国“探火”都选在同一时间段

来源:科技日报2020-07-07 09:32

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  霍曼转移轨道(来源:Instructables网站)

  目前,计划在7—8月择机发射的美国“毅力号”火星探测器和阿联酋“希望号”火星探测器已进入发射“倒计时”。而我国首次火星探测任务——“天问一号”的发射也备受关注。不久前,中科院院士、航天科技集团科技委主任包为民接受央视记者采访时透露,今年7—8月,“天问一号”将进行发射。

  这场多国登台的“探火”大戏让人拭目以待。

  在窗口期发射,省时省力省钱

  包括中国在内,今年计划“探火”的国家不约而同将火箭发射日期选在7—8月,这是为什么呢?

  “今年7—8月是火星探测‘窗口期’。”中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室研究员刘勇表示,火星和地球几乎在同一轨道面围绕太阳公转,地球公转周期为1年,火星公转周期约为2年。如果在环形跑道上让地球和火星进行一场赛跑,发令枪响后“慢吞吞”的火星大约每两年会遇上地球一次,此时两行星距离最近。在这一时刻前后,从地球发射火星探测器,能让人类“探火”之旅的“赶路”时间更短、所携燃料更少、成本更加低廉。

  然而,即便是这最短的飞行距离,探测器仍要经历一场“长途旅行”。

  中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张伟告诉科技日报记者,火星距离地球最远约4亿公里,最近也要约5600万公里,以我国此次将要发射的火星探测器为例,需要飞行200余天才能到达遥远的火星。

  探测器“赶路”期间,地球和火星始终相对运动着。因此,探测器飞行轨道设计里头藏着大学问。

  “火星探测器往往沿着地火之间的霍曼转移轨道飞行。”刘勇说。

  霍曼转移轨道由德国物理学家瓦尔特·霍曼提出,是一种变换航天器轨道方法的统称,途中只需两次引擎推进,相对节省燃料。

  刘勇指出,火星探测器发射升空后,先在地球附近加速,进入椭圆形的霍曼转移轨道惯性飞行,不需耗费自身所携燃料;等到达火星附近“刹车”减速,最终被火星捕获。这就要求探测器发射时,火星和地球的相对位置必须提前计算好,使得探测器的霍曼转移轨道能够与火星公转轨道在某一时刻相切。两轨道的切点就是探测器将被火星轨道捕获的空间位置,这一特定时刻就是探测器真正投入火星“怀抱”的时刻。

  结合地球、火星的公转周期,以及轨道设计的相关内容,科学家通过详细周密的计算得出,在地球上每隔约26个月是发射火星探测器的最好时机,“窗口期”由此而来。

  如果错过今年7—8月这次“窗口期”,下次火星探测的好时机只能等到2022年。例如,欧洲空间局(以下简称欧空局)与俄罗斯航天局合作研发的火星探测器原定于今年7月发射,但因疫情及其他技术因素影响,不得不推迟到两年后发射。

  目的地相同,“赶路”时间不一

  如果翻阅历史资料就会发现,即便国际上历次火星探测几乎都沿着霍曼转移轨道飞行,“赶路”时间却有长有短。

  美国发射的“水手4号”火星探测器,从距离火星1万公里的高空处拍摄并回传了第一张火星表面的照片。这张充满了陨石坑的照片当时震惊了科学界。该探测器于1964年11月底发射,1965年7月中旬飞越火星,时隔8个半月。

  与“水手4号”同一系列的“水手9号”则在“赶路”途中费时较少。该探测器于1971年5月底发射,同年11月中旬抵达,成为人类派往火星考察的第一颗人造火星卫星。飞行时间仅5个半月。

  随着时间推移,后续发射的火星探测器飞行时间反而有增长趋势。

  据此前《人民日报海外版》报道,此次我国首次火星探测任务计划飞行7—8个月。当然,还有时间更长的“探火”之行。如1975年美国发射的“海盗1号”,耗时10个月驶向火星;2013年印度发射的“曼加里安号”,耗时11个半月才进入火星轨道。

  目的地相同,为何“赶路”时间不一?

  刘勇告诉科技日报记者,火星探测器飞行时间相差较大,除了工程实际中火箭的运载能力和火星探测器本身的质量以外,还有两方面因素。

  其一,地球、火星的公转轨道都不是真正意义上的正圆轨道,因此即便二者距离最近时,这一最近距离也有长有短。同理,如果不是同一年“窗口期”发射的火星探测器,其飞行距离也略有差别,飞行时长自然也会有所不同。

  “每一次‘窗口期’火星探测器飞行的距离不等,下一次探测器飞行距离最短的‘窗口期’在2035年,这在天文学上被称为‘火星大冲’。”刘勇说。

  其二,飞行时间也与飞掠、环绕等不同的探测目标有关。飞掠火星只需靠近即可,相当于“一日游”,旅途中惊鸿一瞥,拍下几张照片,扬长而去。环绕火星则需要在特定时刻“刹车制动”,进入火星轨道成为人造火星卫星,相当于“深度游”,此后扎根在火星周围,直至生命终结。因此,当探测器以环绕火星为任务目标时,其所携带的燃料更多,变轨相对复杂,飞行时间也相对长些。

  除了飞行时间不一外,火星探测作为一项系统工程,还有很多耐人寻味的科学问题值得探究。正如刘勇所言:“航天工程是人类的科技极限挑战,具有极高的风险性。期待我国首次自主火星探测任务圆满成功。”(于紫月)

[ 责编:张佳兴 ]
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