为什么火星探测窗口每26个月才一次？

　　今天起，正式开始跟国家航天局合作撰写关于火星探测的科普图文，保持周更，一直伴随天问写下去。这里是第一篇
　　地球是在人类已知宇宙中唯一存在生命的星球，它有两个重要的邻居，金星和火星。金星已被证实是一个常年表面温度超过460摄氏度、大气压是地球海平面90余倍的恶劣高温高压环境，空气中弥漫着各类有毒硫化物，几乎没有价值探测开发。相较而言，另一个邻居火星就成为人类迈向跨行星生存物种的下一站。但是，对它探测的机会每26个月才会出现一次。
　　地球和两个邻居的对比
　　地球处在太阳系较内侧位置，与太阳平均距离约为1。5亿千米，即1个标准天文单位的长度。火星距离太阳要远一些，平均大约是2。3亿千米。按照天文学家开普勒总结行星运动得到的三大定律：行星距离太阳越远，运动速度就会越慢，环绕一周的距离也会越长，最终环绕太阳的轨道周期越长。
　　具体对比而言，地球需要约365天环绕太阳一周，火星需要约687天。火星的轨道是偏心率为0。09的椭圆，地球轨道则接近正圆。这意味着地球和火星之间的距离在时刻复杂变化，最远在太阳两侧面面相对时可远至4亿千米，最近时也会超过5000万千米。
　　20002022年地球和火星距离变化，各探测任务在太空中飞行的时间区间
　　从地球的视角来看，每隔大约780天才能和火星最接近一次，这个时间又叫做会合周期，大约是26个月。从几何角度解释也容易理解：假设二者都是纯圆轨道，在780天内地球运行了2周49度角，火星运动了1周49度角。好比是操场中两个人跑步，内圈跑得比较快的那个人，套了外侧比较慢的那个人1圈，二者再次会合。
　　地球和火星的轨道周期、会合周期示意图
　　地球距离火星一般都非常远，探测难度很大。人类现有的以化学燃料为核心动力的火箭性能依然有限，远远比不过科幻作品中动辄以极快速度运动的飞船和火箭，人类并不能随心所欲的不在乎地球和火星之间距离。但是如果利用这个会合时间点附近的窗口探测，成功率就会高很多。人类对火星的探测始于1960年代，基本都要利用一次次会合周期打开的探索窗口出发探测。但即便如此，总体的探测成功率依然不足一半，火星探测的技术难度可想而知。
　　需要注意的是，探测器并不是在地球和火星精确会合的时间出发，而是需要通过规划，提前几个月出发。当地球和火星实际会合时，探测器往往仅在半程。
　　对于2020年，新一次的火星探测时间窗口出现在78月份，但地球和火星会合的时间点在10月初，地球和火星距离仅有6200万千米。这依然是地球和月球平均距离的160倍！
　　火星探测霍曼转移轨迹示意图
　　在实际飞行时，探测器需要在太阳系中完成一个大椭圆飞行轨道，又叫做霍曼转移轨道。火星和地球轨道形状不同，每次会合时二者的相对几何位置也不尽相同，探测的最佳发射窗口会因此变化。
　　此外，火箭的发射条件会由于总装调试进程、火箭状态和天气等原因推迟，因而人类也并不需要严格遵循26个月的间隔，这仅是理论值。例如，2011年11月26日好奇号火星车发射，它和2013年11月18日发射的大气专家轨道器仅相隔24个月，但2016年3月14日出发的微量气体轨道器却和大气专家轨道器相隔了28个月。更特殊的如2009年的探测窗口，地球和火星会合时距离也非常远，这个窗口大家在规划时直接跳过了。
　　由于各探测窗口条件不同，各探测器使用的火箭性能和飞行方案不同，最终的探测器霍曼转移轨道飞行距离可以轻易长达47亿千米，耗时611个月不等。对于2020年从地球出发的几个火星探测器而言，大致都需要7个月左右时间，于2021年2月前后分别抵达。
　　（本文已首发国家航天局官网）
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