为什么最近各国扎堆去火星？一文讲清火星发射窗口

本文摘要：最近火星升空档期有点剩。阿联酋的“期望”年所启程，中国7月23日收到“天问”，美国则把“毅力”再来了7月底。 要不是疫情推迟了，欧空局和俄罗斯合作的“罗莎琳德·富兰克林”原本也不会卯这个繁华。 为什么去火星要扎堆？原本，2020年7月下旬至8月上旬是本轮的火星升空窗口，错失了这段时间，那就要像欧空局一样等到26个月之后了。 火星升空窗口与火星、地球、太阳的比较方位有关。要掌控出有这些天体的“谜之走位”，我们才能寻找一条省时又省油的最佳路线。

最近火星升空档期有点剩。阿联酋的“期望”年所启程，中国7月23日收到“天问”，美国则把“毅力”再来了7月底。

要不是疫情推迟了，欧空局和俄罗斯合作的“罗莎琳德·富兰克林”原本也不会卯这个繁华。　　为什么去火星要扎堆？原本，2020年7月下旬至8月上旬是本轮的火星升空窗口，错失了这段时间，那就要像欧空局一样等到26个月之后了。

　　火星升空窗口与火星、地球、太阳的比较方位有关。要掌控出有这些天体的“谜之走位”，我们才能寻找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，地球分列老三，火星分列老四，是个块头比地球小的红色一家人。　　根据向心力公式和引力公式，我们可以得出结论就越外圈的行星角速度就越小。

因此，火星绕着太阳跑完圈要比地球慢上一拍电影，公转周期大约为687个地球日。地球有时候在追上火星，有时候又在靠近火星，约每26个月不会遇见一次。地火距离最近时5600万公里，更远超过4亿公里。

以地球视角，在地球“转弯”火星的那段时间，火星不会一段时间经常出现“顺行”。　　正因如此，火星在中国古称“星象”：颜色荧荧似火，下落令人欺骗。插句题外话，由逆行并转顺行/由顺行并转逆行的那段时间，火星不会在视觉上呈现一段时间的逗留。

如果逗留的方位正好是心宿（天蝎座），就是古人指出大奸的星象“星象守心”。　　言归正传。要找到火星升空窗口，我们直观上的第一考虑到是火星和地球之间距离最近的时刻，即“地火最近”。

　　间隔约26个月，地球不会前进到太阳和火星之间，连成一条直线，称为“火星冲日”。在这段时间，每当太阳刚刚从西边掉落，火星就从东边照亮。

而每当太阳从东边照亮，火星又刚好从西边掉落，因此整夜可见。并且，此时火星在夜空中十分暗淡，是观看火星的最差机会。

　　如果行星轨道是个正圆，那日地火三点一线时，似乎也正好是地火最近。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额扁平一些。因此，“火星冲日”和地火最近不一定重合。

“地火最近”与“火星冲日” 来源：NASA 折合　　从上图就可以看见，2016年5月22日再次发生火星冲日，但5月30日才是地火最近。　　约间隔15到17年，火星冲日不会再次发生在火星近日点附近，称为“火星大冲”。

此时，地火距离也不会十分地近。由于地球轨道和火星轨道并不几乎正处于同一平面上，且受到其他天体的引力影响大大微调，“火星大冲”时的地火距离也非相同。

火星轨道和地球轨道不出一个平面　　上两次火星大冲再次发生在2018年7月和2003年8月。2003年的那次火星大冲，地火距离缩到了大约5576万公里，为近6万年来最较短！　　省油轨道　　那么，我们是不是该在地火最近的时候升空火星探测器呢？只不过并不是。

除了时间成本，科学家和工程师们还要考虑到最重要的燃料成本。　　火星探测器并非直线扑向火星，在地球引力和升空动力的双重影响下，它以一道曲线转入太空，点燃转入一个轨道，随后过热转入惯性减速，等候火星回到之后，再行点燃前进。

　　这中间的路线设计可以有多条，但最省燃料的一种就是“霍曼移往轨道”。通过这种方式，飞行器可以重开引擎减速最久的距离。

　　如下图右图，霍曼移往轨道是以太阳为其中一个焦点的椭圆轨道，与较低轨道（地球轨道）和低轨道（火星轨道）都共线。　　当地球运营到霍曼移往轨道的近日点，飞行器启动升空，加快离开了较低轨道；而当火星运营到霍曼移往轨道的远日点，飞行器启动移往，加快转入低轨道。霍曼移往轨道　　当然，飞行器必需在准确的时间窗口内升空，才能刚好在霍曼移往轨道的远日点和火星遇见，被火星引力捕捉。

这就样子大范围移往传球，必须预判队友的跑位。适合的出脚机会，也是每26个月经常出现一次。　　下一次红色星球复活霍曼远日点的日期，是2021年2月11日。

也就是说，这一批升空的探险勇士们，还要流落将近7个月。

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