金星|天問！珴мēи爲什麼厾火星？ぷ( 三 )
上面我们对火星生活做了许多畅想 。 不过这些畅想的前提是 ， 我们在火星上建立了能支持大量人口的基地 。 而这个目标还远得很 ， 我们连一个人都还没送上去过呢 ， 不要说很多人 。
但无论如何 ， 在太阳系的其他行星上建立基地 ， 火星肯定是第一选择 。 从这里出发探索更远的深空 ， 比其他任何行星都有利得多 。 水星、金星、木星等等纷纷表示：我没意见！
如何去火星
下面 ， 我们来介绍一下从地球怎么到火星 。
首先我们要问 ， 地球离火星有多远？
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 。
我们当然希望走的距离越短越好 ， 所以下一个问题就是：什么时候会出现火星冲日？
答案是：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 。
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地球和火星的轨道周期、会合周期示意图
地球比火星刚好多走了一圈 ， 用田径运动的术语 ， 就是火星被地球套圈了 。 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 。 当然 ， 这条线跟上次的线并不重合 ， 转过了0.14圈 。
再下一个问题是：我们应该怎么过去？直接飞向火星吗？
影视里的超人和汽车人、霸天虎等等 ， 要去哪里 ， 都是把胳膊一抬 ， 就径直飞过去了 。 但学过牛顿力学 ， 就知道这是不可能的 。 因为要受到引力的作用 ， 你不可能走直线 。
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（Walter Hohmann）提出的 。
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霍曼转移轨道
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 。 之所以要这么久 ， 是因为它相当于从地球无动力地漂到火星 ， 对能量的需求最低 。
如果你愿意消耗更多的燃料 ， 投入更大的成本 ， 那你当然可以抄近路 。 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 。
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洞察号轨迹（动图）
不过 ， 化学火箭的能力已经接近上限 。 因此 ， 再怎么投入也很难让从地球到火星的时间突破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 ， 我们到火星的行程有望大大缩短 。
有一点需要强调的是 ， 不少科普文章说出发的时间就是地火距离最近的时间 ， 这是一个常见的错误 。 我们希望的是总的行程最短 ， 而不是直线距离最短 。 所以 ， 实际情况是在火星冲日之前几个月出发 ， 之后几个月到达 。
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二十一世纪各年地火距离与探测任务
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 。 其实天问是一个系列 ， 包括火星探测、小行星探测、木星探测等 ， 其中首次自主火星探测被命名为天问一号 。
中国与火星
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 。 其中还有一次拖累了中国 。
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