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瞭望|中国在火星探测领域处于什么水平？( 二 )


火星最有吸引力的一点 ， 是上面有水 。
人们最初用望远镜观察火星的时候 ， 看到很多纹路 。 不少人把它们理解为河道 ， 甚至是火星人开掘的运河 。 虽然截至目前我们没有在火星上发现任何生命 。 不过 ， 火星历史上应该有过活跃的地质运动与河流 ， 但由于太阳风的吹拂以及小行星的撞击等原因 ， 后来逐渐都消失了 。
然而 ， 火星现在还有大量的固态水 ， 也就是冰 ， 这是一个非常重要的发现 。 此外 ， 火星上还有大量的固态二氧化碳 ， 也就是干冰 。 为了跟干冰区别 ， 我们往往把固态水称为水冰 。
在火星的南北极 ， 就有巨大的水冰与干冰混杂的冰盖 ， 水冰主要集中在底部 。 除此之外 ， 在火星的地下很可能还有液态的卤水 ， 即溶解了大量盐分的水 ， 甚至可能有巨大的液态卤水湖 。 这让火星上存在生命的希望大增 。
在地球的各种极端环境下 ， 如火山口、深海、热泉、盐湖等等 ， 都有不屈不挠的微生物生存着 。 它们的能量来源可以不是光合作用 ， 而是各种因地制宜的办法 ， 如硫酸亚铁氧化还原反应放出的化学能 。 对于这些“小强”来说 ， 火星的环境远不算最恶劣的 。 因此 ， 在火星上发现生命是相当有可能的 。
未来一段时间里 ， 掘地三尺寻找生命 ， 就是火星探测的一个重点目标 。 如果真的找到了 ， 那么这将是人类第一次发现地外生命 ， 带来的冲击是巨大的 。
瞭望|中国在火星探测领域处于什么水平？
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7月20日 ， 阿联酋首个火星探测器发射 。 在搭载“希望”号火星探测器的H2A运载火箭发射升空后 ， 阿联酋民众在迪拜的穆罕默德·本·拉希德航天中心欢呼庆祝 。新华社/路透
如何去火星
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 。
【瞭望|中国在火星探测领域处于什么水平？】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 。


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