为什么最近各国扎堆去火星？一文讲清火星发射窗口

最近火星发射档期有点满。阿联酋的“希望”最先启程，中国紧跟着发出“天问”，美国则把“毅力”留到了7月底。要不是疫情耽搁了，欧空局和俄罗斯合作的“罗莎琳德·富兰克林”原本也会凑这个热闹。

为什么去火星要扎堆？原来，2020年7月下旬至8月上旬是本轮的火星发射窗口，错过了这段时间，那就要像欧空局一样等到26个月之后了。

火星发射窗口与火星、地球、太阳的相对位置有关。要掌握出这些天体的“谜之走位”，我们才能找到一条省时又省油的最佳路线。

地火最近

众所周知，太阳系现在有八大行星，从里往外，地球排老三，火星排老四，是个块头比地球小的红色邻居。

根据向心力公式和引力公式，我们可以得出越外圈的行星角速度越小。因此，火星绕着太阳跑圈要比地球慢上一拍，公转周期约为687个地球日。地球有时候在追赶火星，有时候又在远离火星，大约每26个月会相遇一次。地火距离最近时5600万公里，最远达到4亿公里。以地球视角，在地球“超车”火星的那段时间，火星会短暂出现“逆行”。

正因如此，火星在中国古称“荧惑”：颜色荧荧似火，行踪令人迷惑。插句题外话，由顺行转逆行/由逆行转顺行的那段时间，火星会在视觉上呈现出短暂的停留。如果停留的位置正好是心宿（天蝎座），就是古人认为大凶的星象“荧惑守心”。

言归正传。要找出火星发射窗口，我们直观上的第一考虑是火星和地球之间距离最近的时刻，即“地火最近”。

每隔大约26个月，地球会行进到太阳和火星之间，连成一条直线，称作“火星冲日”。在这段时间，每当太阳刚从西边落下，火星就从东边升起。而每当太阳从东边升起，火星又恰好从西边落下，因此整夜可见。并且，此时火星在夜空中十分明亮，是观赏火星的最好机会。

如果行星轨道是个正圆，那日地火三点一线时，显然也正好是地火最近。但在现实中，地球和火星的轨道都是椭圆形，且火星的轨道比地球还要略扁平一些。因此，“火星冲日”和地火最近并不一定重叠。

“地火最近”与“火星冲日” 来源：NASA 下同

从上图就可以看到，2016年5月22日发生火星冲日，但5月30日才是地火最近。

大约每隔15到17年，火星冲日会发生在火星近日点附近，称作“火星大冲”。此时，地火距离也会格外地近。由于地球轨道和火星轨道并不完全处于同一平面上，且受到其他天体的引力影响不断微调，“火星大冲”时的地火距离也非固定。

火星轨道和地球轨道不在一个平面

上两次火星大冲发生在2018年7月和2003年8月。2003年的那次火星大冲，地火距离缩到了约5576万公里，为近6万年来最短！

省油轨道

那么，我们是不是该在地火最近的时候发射火星探测器呢？其实并不是。除了时间成本，科学家和工程师们还要考虑重要的燃料成本。

火星探测器并非直线扑向火星，在地球引力和发射动力的双重影响下，它以一道曲线进入太空，点火进入一个轨道，随后熄火进入惯性滑行，等待火星来到之后，再点火推进。

这中间的路线设计可以有多条，但最省燃料的一种就是“霍曼转移轨道”。通过这种方式，飞行器可以关闭引擎滑行最长的距离。

如下图所示，霍曼转移轨道是以太阳为其中一个焦点的椭圆轨道，与低轨道（地球轨道）和高轨道（火星轨道）都相交。

当地球运行到霍曼转移轨道的近日点，飞行器启动发射，加速离开低轨道；而当火星运行到霍曼转移轨道的远日点，飞行器启动转移，加速进入高轨道。

霍曼转移轨道

当然，飞行器必须在精确的时间窗口内发射，才能恰好在霍曼转移轨道的远日点和火星相遇，被火星引力捕获。这就好像大范围转移传球，需要预判队友的跑位。合适的出脚机会，也是每26个月出现一次。

下一次红色星球降临霍曼远日点的日期，是2021年2月11日。也就是说，这一批发射的探险勇士们，还要漂泊将近7个月。