遠(yuǎn)航火星

劉進(jìn)軍

火星，擁有難以抗拒的魅力，它像催眠大師一樣吸引著我們。人類下一個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，奇跡的大門正在打開……

太空探索是全人類的事業(yè)。21世紀(jì)20年代，將會是個太空探索的激情歲月。目前，人類太空探測的目標(biāo)包括登陸火星或小行星，以及銀河系探測、洲際航行、太空旅游、太空探礦和太空移民等。這些太空探測的宏偉目標(biāo)，將會改變航天學(xué)、天文學(xué)、行星學(xué)和宇宙學(xué)，甚至人類的思維和想象。

2020年，人類行星探測的主要目標(biāo)己瞄準(zhǔn)火星。2020年7月17日，美國宇航局將發(fā)射一輛“毅力號”火星車和一架“恒心號”火星直升機(jī)，并將于2021年2月18日空降火星。此次探測的科學(xué)目標(biāo)是確定火星上是否曾出現(xiàn)過生命，研究火星的氣候和地質(zhì)特征，收集巖石和土壤樣本，尋找古老的微生物生命，測試火星大氣的制氧能力，以及研究人類可居住性等。

2020年7月25日，歐洲航天局將利用俄羅斯的“質(zhì)子號”火箭，發(fā)射“火星生物學(xué)”探測器和“羅莎琳德·富蘭克林號”火星車。羅莎琳德·富蘭克林是英國的一位化學(xué)家和X射線晶體學(xué)家。她發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，還為煤炭、石墨和碳的研究作出了卓越的貢獻(xiàn)。

“羅莎琳德·富蘭克林號”火星車的科學(xué)目標(biāo)是確定火星是否存在生命，或生命在火星上是否仍然活躍。通過火星車尋找和分析火星上的DNA，為人類未來探索紅色星球作準(zhǔn)備。歐洲航天局計劃未來取回火星樣本，這是寶貴的禮物，也是未來幾代人的科學(xué)寶藏。

2020年7月，我國將從文昌發(fā)射中心擇機(jī)發(fā)射“火星一號”（暫定名）火星探測器，同時一次性完成“繞”、“落”、“巡”三大任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對整個火星進(jìn)行全球觀測，火星車降落在火星上并進(jìn)行巡視勘測這三大科學(xué)目標(biāo)。這當(dāng)中有很多技術(shù)難點(diǎn)，如果成功，這將是全世界首次在一次任務(wù)當(dāng)中完成三個目標(biāo)。此次探測是我國首次火星探測任務(wù)，也是我國首次真正的行星探測任務(wù)。

預(yù)計2021年前，“火星一號”火星探測器將降落在火星上。2021年，美國、歐洲和中國的火星車可能會同時奔馳在火星上，開展火星探測競賽，為人類的航天事業(yè)作貢獻(xiàn)。

“毅力號”火星探測器

火箭是最佳選擇

人類探測器怎樣才能成功地飛抵火星呢？火星探測的航程遙遠(yuǎn)、測控極為艱難，整個征途充滿著不可預(yù)知的風(fēng)險。2000年前，各國的火星探測任務(wù)敗多勝少;2000年后，各國發(fā)射的火星探測器幾乎都成功了。若要安全地飛向火星，必須具備3個條件：一是一枚最好的大型火箭;二是一個最佳的發(fā)射窗口;三是一條最優(yōu)的飛行航線。

運(yùn)載火箭是專門發(fā)射衛(wèi)星、飛船、空間站、太空探測器和航天飛機(jī)等航天器而設(shè)計的火箭?；鸺倪\(yùn)載能力主要看火箭的力量——推力。推力越大，火箭的運(yùn)載能力就越強(qiáng)。

我們?yōu)槭裁匆x擇大型運(yùn)載火箭來發(fā)射火星探測器？因為火星探測器自身都比較重，去往火星的征途遙遠(yuǎn)，所以必須選擇大型火箭。這種大型火箭必須具備5個要素：運(yùn)載量大、整流罩高大、成功率高、可靠性高和安全性高。發(fā)射火星探測器關(guān)系到一個國家的榮譽(yù)和威望，最好能做到萬無一失。

目前，美國的“毅力號”火星車發(fā)射已經(jīng)進(jìn)入倒計時。“毅力號”火星車長約3米、寬為2.7米、高為2.2米，重量為1050千克，大小差不多相當(dāng)于一輛小汽車?；鸺l(fā)射必須首先考慮推力和運(yùn)載量。此次美國宇航局發(fā)射“毅力號”火星車選擇“宇宙神5”運(yùn)載火箭，是因其運(yùn)載量大，性能優(yōu)異。它的最大運(yùn)載能力分別是近地軌道19噸，同步轉(zhuǎn)移軌道8.7噸，完全可以將“毅力號”火星車送上轉(zhuǎn)移軌道，飛向火星?！坝钪嫔?”火箭的整流罩直徑5米，內(nèi)高10.2米，最高可達(dá)15.9米。

此外，“宇宙神5”運(yùn)載火箭的發(fā)射成功率很高。從2002年8月21日“宇宙神5”運(yùn)載火箭首次發(fā)射，共計發(fā)射81次，除一次“部分成功”外，幾乎全部成功。它曾成功發(fā)射了美國國防部的5架“X-37B”太空戰(zhàn)機(jī)、“好奇號”火星車等大型航天器，其可靠性和安全性甚高。

我國已準(zhǔn)備發(fā)射“火星一號”火星探測器，試問誰將擔(dān)當(dāng)重任？答案是“長征5號”運(yùn)載火箭?！伴L征5號”運(yùn)載火箭是我國運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭。它總長53.7米，芯級火箭直徑5米，助推器直徑3. 35米，起飛重量達(dá)到837.5噸，近地軌道運(yùn)載能力大于22噸。

我國的“火星一號”火星車和著陸器

登陸火星的最佳窗口

有著“紅色星球”之稱的火星與眾不同，令人神往。人類若要造訪火星，必須精準(zhǔn)確定發(fā)射窗口。那么我們怎樣才能精準(zhǔn)確定發(fā)射窗口呢？

火星的公轉(zhuǎn)軌道呈橢圓形，扁得有點(diǎn)像雞蛋。它距離太陽的近日點(diǎn)2. 07億千米，遠(yuǎn)日點(diǎn)2. 49億千米，平均距離1.4億千米。在一個火星年中，火星距離太陽的遠(yuǎn)近會有3000萬千米的變化。地球的公轉(zhuǎn)軌道變化距離只有300萬千米?；鹦堑墓D(zhuǎn)周期686. 971個地球日，大約為地球公轉(zhuǎn)時間的2倍。

火星是距離地球第2近的行星。它距離地球的近地點(diǎn)5500千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)4億千米?；鹦堑淖赞D(zhuǎn)周期，也就是一天為24小時37分?；鹦堑淖赞D(zhuǎn)軸與它的公轉(zhuǎn)平面有一個25.2。的夾角。因此，火星也有了一年四季的變化?；鹦菄@太陽公轉(zhuǎn)一圈大約是2個地球年，因此火星上各個季節(jié)的長度也比地球上長2倍。

美國宇航局的“毅力號”火星車與探測儀

“恒心號”：太陽系第一架火星直升機(jī)

地球和火星都圍繞太陽運(yùn)行，但是近日點(diǎn)、公轉(zhuǎn)周期和相對位置都各不相同，是不斷變化的。地球和火星的會合周期是780天，也就是26個月。只有當(dāng)它倆距離最近，也就是太陽、地球和火星同處一條直線上時發(fā)射火星探測器，從時間、距離、燃料和機(jī)會上才最合適。這個時間段被稱為“發(fā)射窗口”。

為何“發(fā)射窗口”要求那么精確呢？如果火星探測器過早發(fā)射，就會白白浪費(fèi)時間和盲目等待。如果火星探測器發(fā)射得太遲，就會與火星擦肩而過、錯失良機(jī)，甚至不能在預(yù)定地點(diǎn)入軌或著陸。如果火星探測器沒能在“發(fā)射窗口”發(fā)射，那就只能等待下一次的“發(fā)射窗口”。

?歐洲航天局發(fā)射的“羅莎琳德·富蘭克林號”火星車的鉆探深度可達(dá)2米。

在火箭發(fā)射前，科學(xué)家會根據(jù)火星的入軌時間、方向和著陸地點(diǎn)，計算出2～3種最適合、最精確的“發(fā)射窗口”。火星探測器發(fā)射要分別計算年窗口、月窗口和日窗口。根據(jù)本地氣象和太空天氣，科學(xué)家會確定日窗口、最終發(fā)射時間和倒計時。

2020年，歐洲航天局、美國宇航局和我國國家航天局都將發(fā)射火星探測器，選擇的“發(fā)射窗口”都在7月。科學(xué)家將根據(jù)軌道力學(xué)原理，計算和設(shè)計一條最佳航線?；鹦翘綔y器將經(jīng)過7～8個月的飛行，大約在2021年1 2月左右進(jìn)入火星軌道，相繼造訪這顆神秘的星球。

選擇最優(yōu)航線

行星際飛行器不僅被要求飛得高、飛得遠(yuǎn)，還被要求盡量飛得久，期間充滿了挑戰(zhàn)與危險。行星探測器在盡可能多地攜帶科學(xué)儀器和燃料的同時，自身也應(yīng)盡量輕。這些問題難住了科學(xué)家。何況要想火箭搭載著行星探測器去往另一顆行星，就必須計算出一條最佳航線，否則既浪費(fèi)燃料，也很難成功。那么怎樣才能為探測器的星際旅行探求一條最佳航線呢？目前，人類主要采取3種方式：霍曼轉(zhuǎn)移軌道、引力彈弓效應(yīng)和直飛火星。

1925年，德國科學(xué)家沃爾特·霍曼認(rèn)為，遠(yuǎn)距離星際飛行的最佳軌道只有一條。他提出了2條圓形的傾角相同、高度相異、非常省力的轉(zhuǎn)移軌道——霍曼轉(zhuǎn)移軌道?；袈D(zhuǎn)移軌道的優(yōu)點(diǎn)是可以從低軌道向高軌道轉(zhuǎn)移，也可以從高軌道向低軌道轉(zhuǎn)移，從而節(jié)省燃料，縮短時間，并可以遠(yuǎn)距離連續(xù)訪問多顆行星。

霍曼轉(zhuǎn)移軌道是地球軌道及目標(biāo)行星軌道同時相交叉的雙切線橢圓軌道。這條橢圓軌道與2條公轉(zhuǎn)軌道相切時傾角相同?；袈J(rèn)為，當(dāng)太空探測器離開地球時，必須獲得11.2千米/秒的第二宇宙速度才能克服地球引力，實(shí)現(xiàn)深空飛行。太空探測器先沿著地球軌道一圈一圈地蕩開，當(dāng)接近兩星相交會的切點(diǎn)時，太空探測器只要在2個切點(diǎn)處點(diǎn)火加速，就能進(jìn)入目標(biāo)行星的軌道。

霍曼轉(zhuǎn)移軌道的藝術(shù)想象圖

當(dāng)然，如果太空探測器加速并改變飛行軌道，可以縮短飛抵目標(biāo)行星的時間。例如，美國的“旅行者2號”探測器的速度，比雙切線軌道所要求的快0.2千米/秒，到達(dá)木星的時間縮短了將近四分之一。根據(jù)霍曼轉(zhuǎn)移軌道計算，火星探測器從地球到火星一般需要飛行259天。

為了保證太空探測器沿雙切線軌道的切點(diǎn)轉(zhuǎn)移，科學(xué)家必須計算好提前量。當(dāng)太空探測器飛到與目標(biāo)行星軌道相會處時，目標(biāo)行星恰好也運(yùn)行到切點(diǎn)。因此，太空探測器必須根據(jù)事先計算好的提前量，選擇在地球和目標(biāo)行星都處于某一特定相對位置的“發(fā)射窗口”發(fā)射。

100年前，蘇聯(lián)宇航學(xué)家尤里·康德拉圖克第一次提出引力彈弓效應(yīng)的設(shè)想。他認(rèn)為，太空探測器飛向太陽、水星和金星，朝向太陽飛行，可以獲得加速度。如果飛向火星、土星、木星、天王星和海王星，背向太陽飛行，會降低速度。

引力彈弓效應(yīng)遵循萬有引力定律、能量守恒定律、軌道力學(xué)和太空動力學(xué)的原理，利用太陽、地球、月球和金星等星球的引力，借力飛行。引力彈弓效應(yīng)利用地球和行星的公轉(zhuǎn)運(yùn)動和引力大小，實(shí)現(xiàn)星際飛行和加減速。探測器在發(fā)射時先得到必要的初始速度，然后在大部分時間里慣性飛行。事實(shí)證明，這是一個星際飛行、控制速度和節(jié)省燃料的好方法。

是不是覺得上面說得太難懂？其實(shí)這引力彈弓就是蕩秋千，太空探測器算好時間發(fā)射，在各個行星之間蕩秋千，從一個行星蕩向另一個行星，一步步接近目標(biāo)行星。

點(diǎn)火升空的俄羅斯“質(zhì)子號”火箭

火箭發(fā)射升空

火箭打開整流罩

直飛火星，是最優(yōu)方法。這種方法航行時間最短、效率最高，但前提是火箭的推力必須足夠強(qiáng)大。所以火星探測器能直飛火星，是一個國家綜合實(shí)力強(qiáng)大的標(biāo)志。2020年7月，我國將在海南文昌發(fā)射中心發(fā)射“長征5號”火箭，采用直飛火星的方式將火星探測器直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道。

“毅力號”的電路！

我們把火星看作是未來人類移民外星球的第一站。通過對火星進(jìn)行詳細(xì)的了解及勘測，為未來載人登陸火星，也為人類改造火星做準(zhǔn)備?；鹦强赡軙蔀槲覀兩娴牡诙€星球，也是人類殖民外星球的重要一步。

未來的星際飛船

知識鏈接 火箭發(fā)射分為3種情況：成功、失敗和部分成功。航天器升空也分為3種情況：成功、失敗和部分成功?；鸺l(fā)射成功，航天器發(fā)射不一定成功?；鸺l(fā)射失敗，航天器發(fā)射肯定失敗。火箭發(fā)射部分成功，航天器發(fā)射可能會成功。

發(fā)射窗口通常有4種形式，即年窗口、月窗口、日窗口和零窗口。年窗口，是指一年甚至是幾年才能遇到的一次發(fā)射時機(jī)。月窗口，是指每月那幾天適合發(fā)射的時機(jī)。日窗口，是指每天都有適合發(fā)射的時機(jī)。零窗口，是指火箭點(diǎn)火起飛的時間與預(yù)計時間的偏差不能超過1秒。