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火星|到达火星，中国与美国拼速度？其实比的是那一脚刹车

地球火星轨道天问一号火星探测器

谁速度更快？
2021年春节注定是一个热闹的“火星年”：年二十九 ， 阿联酋“希望号”轨道器率先抵达火星；除夕 ， 中国“天问一号”也将被火星引力捕获；而在大年初六前后 ， 美国“恒心号”也将到达火星 。
谁的速度更快？看起来都差不多 。 考虑到“希望号”比“天问一号”早出发4天 ， 因此中国比阿联酋要更快一点；“恒心”晚出发一周也晚到一星期 ， 速度与中国火星探测器相当 。 考虑到200天出头的时间里大家都飞行了4.7亿多公里 ， 速度差距基本上都可以忽略不计了 。
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阿联酋贴牌的“希望”率先抵达火星
作为海湾国家第一个火星探测器 ， “希望号”其实是美国制造、阿联酋出钱并贴牌、日本火箭发射、再由美国NASA深空网络遥测遥控的“国际合作”产品 。 因此我们可以说2021年火星探测依然是中美两国在太空科学领域的实力展示 。
火星探测为什么扎堆？
2020年7月中旬是火星探测的发射窗口期 ， 原计划有四个探测器扎堆发射前往火星 ， 由于疫情原因只有三颗升空 ， 欧洲需要等待两年之后的下一个窗口到来 。
尽管理论上在任何时候我们都能向火星发射探测器 ， 也可以飞得更快、耗时更短 。 但航天发射其实是一门科学 ， 需要遵循科学规律 ， 不能蛮干 。
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探测器发射窗口与地火距离相关
地球与火星围绕太阳公转周期不同 ， 地球的一年是365天 ， 火星则是687个地球日 ， 每两年零两个月（780天）二者才会靠近一次 ， 由于飞行的距离更短 ， 火星探测器通常会选择在这时发射 。
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探测器发射窗口要经过严格计算
航天发射非常昂贵 ， 所有国家都会尽量选择合适的火箭 ， 既不能小马拉大车 ， 也决不让火箭运载能力有一公斤的浪费 。 在这个前提下所有科学家都会达成“默契” ， 那就是充分运用牛顿定律计算速度并确定轨道 ， 这也是大家扎堆发射也前后脚到达的原因 。
天问一号的速度有多快？
这个问题其实并没有固定答案 ， 因为速度随时在变 ， 并且你观察的位置（参考系）不同 ， 得到的答案也不一样 。
我们向天空扔石头 ， 它会很快掉下来 ， 这很容易理解：因为石头与地球相互吸引 ， 万有引力将它往下拉 。 要想石头不掉下来 ， 我们需要让它飞得更快 ， 当石头向前的飞行速度达到7.9千米/秒时 ， 它就能一直绕着地球飞 。 你说得没错 ， 它就是“第一宇宙速度” 。
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卫星通常以第一宇宙速度运行
以第一宇宙速度飞行的卫星尽管不会掉回地球 ， 但它也飞不远 。 要想摆脱地球引力 ， 它需要飞得更快 ， 当飞船的速度超过11.2千米/秒时 ， 就能飞到其它星球 ， 这就是我们常说的“第二宇宙速度” 。 几乎所有的火星探测器都是以第二宇宙速度离开地球的 。
当你跳出地球、站在太阳系的角度看天问一号 ， 它的速度就不是11.2千米/秒而是更快 。 这是因为当它从地球出发时 ， 地球还另外赋予了它30千米/秒的速度 ， 这是地球绕太阳运行的轨道速度 。 天问一号探测器正是以这两个速度的合速度飞行的 。
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天问一号的飞行速度是“合速度”
天问一号在飞行的过程中会受到太阳引力拖曳 ， 它会飞得越来越慢；但相对于地球来说后半段却是越来越快 ， 这是因为地球本身也在运动 ， 它是以一个弧线轨迹离开天问一号的 。 地球与火星最近的距离约5500万千米 ， 当天问一号接近火星时 ， 地球已经运行到4.7亿千米之远了 。
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地球、火星与天问一号相对运动位置关系
火星探测器需要“踩刹车”
火星与地球相距遥远 ， 我们向火星发射航天器时 ， 顶多也就瞄个8环9环 ， 想在飞行几亿公里之后还能准确命中目标 ， 航天器需要在途中进行多次轨道修正 。 包括天问一号在内的所有火星探测器都携带许多燃料 ， 这些燃料一小部分用于中途轨道修正 ， 另外一多半则用于进入火星轨道时“踩刹车” 。
尽管有太阳引力帮忙减速 ， 天问一号在到达火星时依然保持着非常高的合速度 ， 它会飞得比火星快 。 火星的平均轨道速度大约是24千米/秒、逃逸速度约5千米/秒 ， 而我们知道天问一号的合速度超过30千米/秒 ， 因此它必须在接近火星的时候减速 ， 否则就会飞走了 。
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天问一号插入火星轨道过程
天问一号沿着地火转移轨道追逐并从后方超越火星 ， 当探测器贴近火星飞行时 ， 由于受到火星引力影响 ， 天问一号的飞行轨迹会产生弯曲 。 这个时候如果不减速 ， 探测器就会被火星引力拖拽着沿一条双曲线轨道加速飞走 ， 这就是我们常说的“引力弹弓” 。
为了环绕火星飞行 ， 天问一号要让其轨道器上的3000N发动机朝向前方全力喷射14分钟 ， 从而将速度降下来 。 这时候探测器组合体与火星相对速度略高于5千米/秒 ， 从而进入近火点400千米、远火点18万千米的捕获轨道 。 再经过一系列复杂的轨道调整动作之后 ， 天问一号就可以在“最终科学轨道”上绕火星飞行了 。
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天问一号正在接近火星
【火星|到达火星，中国与美国拼速度？其实比的是那一脚刹车】天问一号比美国探测器强在哪里？
无论到得早晚 ， 所有探测器接近火星时的速度和动作都是一致的 ， 因为这符合牛顿定律 。 大家的不同之处在于怎么去“踩这一脚刹车”把速度降下来 ， 速度快了会一去不返 ， 慢了就会低于火星的逃逸速度 ， 最终坠毁在火星上 。
美国为阿联酋制造的“希望号”和美国自己的“恒心号”都需要进行长达半个小时的减速 ， 这是因为星上没有安装大推力的反推发动机 ， 它们是依靠几台小推力发动机一齐长时间喷射来实施减速的 。 一个主要原因是美国不需要轨道器、阿联酋不需要在火星降落 。
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美国探测器反推机构非常简单
反观天问一号 ， 它的轨道器上不仅装了一台3000N的大推力发动机 ， 可以快速“刹车” 。 它还配了8台120N发动机和12台25N发动机作为冗余 ， 妥妥的“火力不足恐惧症”！究其原因 ， 一个是可调整余地大 ， 其二就是初次上火星心里没底 ， 发动机更多更强 ， 保险系数也更大 。
大家各有千秋 。


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