发射窗口■为什么最近各国扎堆去火星？一文讲清火星发射窗口
_原始标题：荧惑时刻|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7月23日发出“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 。
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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 。
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“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 。
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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
发射窗口■为什么最近各国扎堆去火星？一文讲清火星发射窗口。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 。
发射窗口■为什么最近各国扎堆去火星？一文讲清火星发射窗口。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 。
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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 。
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