远航火星

刘进军

火星，拥有难以抗拒的魅力，它像催眠大师一样吸引着我们。人类下一个可以漫游的星球是火星。不管你在火星上流浪的原因是什么，奇迹的大门正在打开……

太空探索是全人类的事业。21世纪20年代，将会是个太空探索的激情岁月。目前，人类太空探测的目标包括登陆火星或小行星，以及银河系探测、洲际航行、太空旅游、太空探矿和太空移民等。这些太空探测的宏伟目标，将会改变航天学、天文学、行星学和宇宙学，甚至人类的思维和想象。

2020年，人类行星探测的主要目标己瞄准火星。2020年7月17日，美国宇航局将发射一辆“毅力号”火星车和一架“恒心号”火星直升机，并将于2021年2月18日空降火星。此次探测的科学目标是确定火星上是否曾出现过生命，研究火星的气候和地质特征，收集岩石和土壤样本，寻找古老的微生物生命，测试火星大气的制氧能力，以及研究人类可居住性等。

2020年7月25日，欧洲航天局将利用俄罗斯的“质子号”火箭，发射“火星生物学”探测器和“罗莎琳德·富兰克林号”火星车。罗莎琳德·富兰克林是英国的一位化学家和X射线晶体学家。她发现了DNA的双螺旋结构，还为煤炭、石墨和碳的研究作出了卓越的贡献。

“罗莎琳德·富兰克林号”火星车的科学目标是确定火星是否存在生命，或生命在火星上是否仍然活跃。通过火星车寻找和分析火星上的DNA，为人类未来探索红色星球作准备。欧洲航天局计划未来取回火星样本，这是宝贵的礼物，也是未来几代人的科学宝藏。

2020年7月，我国将从文昌发射中心择机发射“火星一号”（暂定名）火星探测器，同时一次性完成“绕”、“落”、“巡”三大任务，实现对整个火星进行全球观测，火星车降落在火星上并进行巡视勘测这三大科学目标。这当中有很多技术难点，如果成功，这将是全世界首次在一次任务当中完成三个目标。此次探测是我国首次火星探测任务，也是我国首次真正的行星探测任务。

预计2021年前，“火星一号”火星探测器将降落在火星上。2021年，美国、欧洲和中国的火星车可能会同时奔驰在火星上，开展火星探测竞赛，为人类的航天事业作贡献。

“毅力号”火星探测器

火箭是最佳选择

人类探测器怎样才能成功地飞抵火星呢？火星探测的航程遥远、测控极为艰难，整个征途充满着不可预知的风险。2000年前，各国的火星探测任务败多胜少;2000年后，各国发射的火星探测器几乎都成功了。若要安全地飞向火星，必须具备3个条件：一是一枚最好的大型火箭;二是一个最佳的发射窗口;三是一条最优的飞行航线。

运载火箭是专门发射卫星、飞船、空间站、太空探测器和航天飞机等航天器而设计的火箭。火箭的运载能力主要看火箭的力量——推力。推力越大，火箭的运载能力就越强。

我们为什么要选择大型运载火箭来发射火星探测器？因为火星探测器自身都比较重，去往火星的征途遥远，所以必须选择大型火箭。这种大型火箭必须具备5个要素：运载量大、整流罩高大、成功率高、可靠性高和安全性高。发射火星探测器关系到一个国家的荣誉和威望，最好能做到万无一失。

目前，美国的“毅力号”火星车发射已经进入倒计时。“毅力号”火星车长约3米、宽为2.7米、高为2.2米，重量为1050千克，大小差不多相当于一辆小汽车。火箭发射必须首先考虑推力和运载量。此次美国宇航局发射“毅力号”火星车选择“宇宙神5”运载火箭，是因其运载量大，性能优异。它的最大运载能力分别是近地轨道19吨，同步转移轨道8.7吨，完全可以将“毅力号”火星车送上转移轨道，飞向火星。“宇宙神5”火箭的整流罩直径5米，内高10.2米，最高可达15.9米。

此外，“宇宙神5”运载火箭的发射成功率很高。从2002年8月21日“宇宙神5”运载火箭首次发射，共计发射81次，除一次“部分成功”外，几乎全部成功。它曾成功发射了美国国防部的5架“X-37B”太空战机、“好奇号”火星车等大型航天器，其可靠性和安全性甚高。

我国已准备发射“火星一号”火星探测器，试问谁将担当重任？答案是“长征5号”运载火箭。“長征5号”运载火箭是我国运载能力最强的火箭。它总长53.7米，芯级火箭直径5米，助推器直径3. 35米，起飞重量达到837.5吨，近地轨道运载能力大于22吨。

我国的“火星一号”火星车和着陆器

登陆火星的最佳窗口

有着“红色星球”之称的火星与众不同，令人神往。人类若要造访火星，必须精准确定发射窗口。那么我们怎样才能精准确定发射窗口呢？

火星的公转轨道呈椭圆形，扁得有点像鸡蛋。它距离太阳的近日点2. 07亿千米，远日点2. 49亿千米，平均距离1.4亿千米。在一个火星年中，火星距离太阳的远近会有3000万千米的变化。地球的公转轨道变化距离只有300万千米。火星的公转周期686. 971个地球日，大约为地球公转时间的2倍。

火星是距离地球第2近的行星。它距离地球的近地点5500千米，远地点4亿千米。火星的自转周期，也就是一天为24小时37分。火星的自转轴与它的公转平面有一个25.2。的夹角。因此，火星也有了一年四季的变化。火星围绕太阳公转一圈大约是2个地球年，因此火星上各个季节的长度也比地球上长2倍。

美国宇航局的“毅力号”火星车与探测仪

“恒心号”：太阳系第一架火星直升机

地球和火星都围绕太阳运行，但是近日点、公转周期和相对位置都各不相同，是不断变化的。地球和火星的会合周期是780天，也就是26个月。只有当它俩距离最近，也就是太阳、地球和火星同处一条直线上时发射火星探测器，从时间、距离、燃料和机会上才最合适。这个时间段被称为“发射窗口”。

为何“发射窗口”要求那么精确呢？如果火星探测器过早发射，就会白白浪费时间和盲目等待。如果火星探测器发射得太迟，就会与火星擦肩而过、错失良机，甚至不能在预定地点入轨或着陆。如果火星探测器没能在“发射窗口”发射，那就只能等待下一次的“发射窗口”。

 欧洲航天局发射的“罗莎琳德·富兰克林号”火星车的钻探深度可达2米。

在火箭发射前，科学家会根据火星的入轨时间、方向和着陆地点，计算出2～3种最适合、最精确的“发射窗口”。火星探测器发射要分别计算年窗口、月窗口和日窗口。根据本地气象和太空天气，科学家会确定日窗口、最终发射时间和倒计时。

2020年，欧洲航天局、美国宇航局和我国国家航天局都将发射火星探测器，选择的“发射窗口”都在7月。科学家将根据轨道力学原理，计算和设计一条最佳航线。火星探测器将经过7～8个月的飞行，大约在2021年1 2月左右进入火星轨道，相继造访这颗神秘的星球。

选择最优航线

行星际飞行器不仅被要求飞得高、飞得远，还被要求尽量飞得久，期间充满了挑战与危险。行星探测器在尽可能多地携带科学仪器和燃料的同时，自身也应尽量轻。这些问题难住了科学家。何况要想火箭搭载着行星探测器去往另一颗行星，就必须计算出一条最佳航线，否则既浪费燃料，也很难成功。那么怎样才能为探测器的星际旅行探求一条最佳航线呢？目前，人类主要采取3种方式：霍曼转移轨道、引力弹弓效应和直飞火星。

1925年，德国科学家沃尔特·霍曼认为，远距离星际飞行的最佳轨道只有一条。他提出了2条圆形的倾角相同、高度相异、非常省力的转移轨道——霍曼转移轨道。霍曼转移轨道的优点是可以从低轨道向高轨道转移，也可以从高轨道向低轨道转移，从而节省燃料，缩短时间，并可以远距离连续访问多颗行星。

霍曼转移轨道是地球轨道及目标行星轨道同时相交叉的双切线椭圆轨道。这条椭圆轨道与2条公转轨道相切时倾角相同。霍曼认为，当太空探测器离开地球时，必须获得11.2千米/秒的第二宇宙速度才能克服地球引力，实现深空飞行。太空探测器先沿着地球轨道一圈一圈地荡开，当接近两星相交会的切点时，太空探测器只要在2个切点处点火加速，就能进入目标行星的轨道。

霍曼转移轨道的艺术想象图

当然，如果太空探测器加速并改变飞行轨道，可以缩短飞抵目标行星的时间。例如，美国的“旅行者2号”探测器的速度，比双切线轨道所要求的快0.2千米/秒，到达木星的时间缩短了将近四分之一。根据霍曼转移轨道计算，火星探测器从地球到火星一般需要飞行259天。

为了保证太空探测器沿双切线轨道的切点转移，科学家必须计算好提前量。当太空探测器飞到与目标行星轨道相会处时，目标行星恰好也运行到切点。因此，太空探测器必须根据事先计算好的提前量，选择在地球和目标行星都处于某一特定相对位置的“发射窗口”发射。

100年前，苏联宇航学家尤里·康德拉图克第一次提出引力弹弓效应的设想。他认为，太空探测器飞向太阳、水星和金星，朝向太阳飞行，可以获得加速度。如果飞向火星、土星、木星、天王星和海王星，背向太阳飞行，会降低速度。

引力弹弓效应遵循万有引力定律、能量守恒定律、轨道力学和太空动力学的原理，利用太阳、地球、月球和金星等星球的引力，借力飞行。引力弹弓效应利用地球和行星的公转运动和引力大小，实现星际飞行和加减速。探测器在发射时先得到必要的初始速度，然后在大部分时间里惯性飞行。事实证明，这是一个星际飞行、控制速度和节省燃料的好方法。

是不是觉得上面说得太难懂？其实这引力弹弓就是荡秋千，太空探测器算好时间发射，在各个行星之间荡秋千，从一个行星荡向另一个行星，一步步接近目标行星。

點火升空的俄罗斯“质子号”火箭

火箭发射升空

火箭打开整流罩

直飞火星，是最优方法。这种方法航行时间最短、效率最高，但前提是火箭的推力必须足够强大。所以火星探测器能直飞火星，是一个国家综合实力强大的标志。2020年7月，我国将在海南文昌发射中心发射“长征5号”火箭，采用直飞火星的方式将火星探测器直接送入地火转移轨道。

“毅力号”的电路！

我们把火星看作是未来人类移民外星球的第一站。通过对火星进行详细的了解及勘测，为未来载人登陆火星，也为人类改造火星做准备。火星可能会成为我们生存的第二个星球，也是人类殖民外星球的重要一步。

未來的星际飞船

知识链接 火箭发射分为3种情况：成功、失败和部分成功。航天器升空也分为3种情况：成功、失败和部分成功。火箭发射成功，航天器发射不一定成功。火箭发射失败，航天器发射肯定失败。火箭发射部分成功，航天器发射可能会成功。

发射窗口通常有4种形式，即年窗口、月窗口、日窗口和零窗口。年窗口，是指一年甚至是几年才能遇到的一次发射时机。月窗口，是指每月那几天适合发射的时机。日窗口，是指每天都有适合发射的时机。零窗口，是指火箭点火起飞的时间与预计时间的偏差不能超过1秒。