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从地球怎么才能到火星呢?

来源:综合 VIEW: 发布时间:2020-07-23

从地球怎么才能到火星呢?

首先来看距离。地球和火星都在围绕太阳公转,地球跑第三道,火星跑第四道。两个轨道都是接近于圆的椭圆。地球轨道跟圆相当接近,半径约为1.5亿公里。火星轨道稍微扁一点,近日点和远日点分别约为2.07和2.49亿公里。

由此可见,地火距离最近是当太阳、地球、火星三者排成一线的时候,这叫做“火星冲日”,距离最小值在0.6亿公里左右。地火距离最远是当地球和火星分居太阳两边排成一线的时候,最大值在4亿公里左右。

火星冲日是一个周期性的现象,大约每780天发生一次。为什么呢?从地球和火星的公转周期就能算出这个数值。

地球的一年大约是365天,而火星的一年大约是687天。经过780天后,地球走过了780/365=2.14圈,火星走过了780/687=1.14圈。地球比火星刚好多走了一圈。所以如果出发时日地火连成一线,那么到这里它们又会连成一线。

由此决定了,每过780天即大约26个月,就会出现一个火星探测的窗口期。在2020年的窗口期中,终于出现了中国的火星探测项目:天问一号。

下一个问题是:应该怎么去?直接飞向火星吗?

要受到引力的作用,不可能走直线。在太阳系里,最大的引力源就是太阳。除了在每个行星附近之外,在绝大部分空间起主导作用的都是太阳的引力。因此,飞船从地球到火星的旅程,绝大部分是在太阳控制下的。如果我们在途中不开动力,那么根据开普勒第一定律,飞船的轨迹就是一个以太阳为焦点的椭圆。

基于这些考虑,答案就呼之欲出了。我们走的是这样一条轨道:它在离开地球的时候与地球绕太阳的轨道外切,这是近日点;在接近火星的时候与火星绕太阳的轨道内切,这是远日点。在中间路程,它是一个以太阳为焦点的椭圆的一部分。整个行程中,发动机只需要点火两次,就是在起点和终点。这样耗费的燃料最少,而且操作最为稳妥高效。

这样的轨道,叫做“霍曼转移轨道”。它是在1925年,由德国物理学家沃尔特·霍曼提出的。一条霍曼转移轨道的路程长达6亿公里左右,约为地火最近直线距离的十倍,需要飞行大约260天即约9个月。

如果愿意消耗更多的燃料,投入更大的成本,当然可以抄近路。这叫做“快速转移轨道”。例如,美国2018年发射的“洞察”号依靠强大的火箭和最好的时间窗口,只走了4.8亿公里,只用7个月就到达了火星。

不过,化学火箭的能力已接近上限。因此,再怎么投入也很难让从地球到火星的时间少于6个月。但是新的推进技术正在发展中,例如离子电推进和核能推进。如果这些技术成熟,地球到火星的行程有望大大缩短。

中国起点高

此前,大部分成功的火星项目都来自美国。当年的苏联和后来的俄罗斯都尝试过不少次,但大都以失败告终。

2011年,中国的火星探测器“萤火一号”参与俄罗斯的“福波斯-土壤号”探测计划,搭乘俄罗斯的火箭升空。但由于来自宇宙的高能粒子突然增加,探测器芯片失效,无法变轨,最终在大气中焚毁。

当时,中国没有能把大型载荷送到火星的火箭,也没有能达到火星的全天域深空通信网络。但如今,中国拥有了运力强劲的长征五号火箭。此外,也开发出了深空通信网络,并在2019年嫦娥四号登陆月球背面的壮举中就发挥了关键作用。

中国在火星探测领域是一个后来者,但起点却相当高。“天问一号”将一次执行“绕落巡”三项任务,其载荷包括三部分:环绕器(也称轨道器),它可以环绕火星观测和跟地球中继通信;着陆器,用来登陆火星;以及巡游器,也就是火星车。

其他国家的第一次火星任务,多是只有环绕,或者连绕带落,或者连环绕都没有,只是飞掠,从来没有一上来就做全套的。

“绕落巡”三步中最困难的是“落”。目前只有美国成功实现过“落”,以及随后的“巡”。其他国家尝试过好几次登陆火星,但都失败了。中国选择如此激进的路线,说明对自身的技术相当有信心。此外,还有一个原因,那就是只有大踏步地前进,才能取得更有价值的科学成果。

单纯依靠“绕”和“落”能观察到的现象,很多前人都已经做过了。因此如果要真正在科研探索上有所突破,就需要“绕落巡”全都上。尤其是火星车可以自由移动,可以探索别人没去过的地方。

这背后一个需要回答的问题是:探索火星是为了“面子”,还是真的要做科学探索?

一个戏剧性的例子,来自印度。早在2013年11月,印度就发射了“曼加里安号”火星探测器,在飞行了11个月后,于2014年9月进入环绕火星的轨道。

凭借这项成就,印度成为了第一个也是目前唯一一个首次探测火星就完全成功的国家。

不过,这里的关键在于“完全成功”。有些国家或地区的首次任务,虽然只是部分成功,但取得的科学成果却比印度多得多,例如欧洲的“火星快车”。所以印度的“完全成功”是在目标很低前提下的成功,基本上只有刷自豪感的价值。

有了这些背景,才能更好理解中国探测火星的策略选择。历史上,美苏都投入了巨大的资源进行太空探索。苏联起步还早一些,初期具有技术优势。不过美国后来居上,超过了苏联。一个重要原因是,美国意识到太空事业的发展要以科学来引领。

例如,1957年,苏联的人造卫星记录到了地球上空上万公里处的辐射带,但认为是仪器问题。几个月后,美国的人造卫星也发现了这个辐射带。这成了一个伟大的发现,被命名为范艾伦辐射带,范艾伦是美国物理学家和早期卫星的研制者。

中国火星探测首席科学家万卫星院士,2020年5月20日因癌症去世,享年仅62岁。他在2019年的一篇文章中谈到:“如果说第一次热潮的主题是探测竞赛,比的是谁先跑得最快,那么第二次热潮的主题应是科学竞赛,比的是谁先看得最深。人们已经不满足于到行星表面看一看,而是看向时间的深处——研究行星的演化历史,看向空间的深处——研究行星的内部结构,看向人类的深处——研究生命起源和寻找地外生命。”

2020年7月13日的《自然·天文学》,刊登了万卫星的讣告以及他介绍天问一号的文章:“‘天问一号’将在第一次尝试中就进行环绕、着陆和释放巡视器,并与轨道器协调观测。从来没有任何行星任务是以这种方式开展的。如果成功,将标志着一次重大的技术突破。从科学上讲,‘天问一号’是对火星形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等进行研究的最全面的任务。”(文丨袁岚峰  作者为中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员)

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