航天器飛往行星的軌道

尹懷勤

從理論上來(lái)說(shuō)，從地球到達(dá)火星和太陽(yáng)系其他行星的路線有很多種，但是航天專(zhuān)家考慮到時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)限制，必須選擇一條最佳軌道完成任務(wù)，而這條最佳軌道只有在地球與行星相對(duì)位置滿(mǎn)足合適條件的時(shí)候才能實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)這個(gè)相對(duì)位置所對(duì)應(yīng)的發(fā)射時(shí)間段被稱(chēng)為發(fā)射窗口。

由于地球和火星都在圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，兩者的相對(duì)位置不斷變化。當(dāng)它們距離最近時(shí)，被稱(chēng)為相沖，即太陽(yáng)、地球和火星同處于一條直線上。

出現(xiàn)相沖的時(shí)間間隔被稱(chēng)為會(huì)合周期，雖然還要考慮其他因素，但是人們認(rèn)為會(huì)合周期就是發(fā)射窗口出現(xiàn)的周期。地球與火星的會(huì)合周期是26個(gè)月，因此探測(cè)火星的發(fā)射窗口每隔26個(gè)月才出現(xiàn)一次，是太陽(yáng)系八大行星中機(jī)會(huì)最少的。由于水星與地球的會(huì)合周期最短，所以水星的發(fā)射窗口出現(xiàn)的機(jī)會(huì)最多，每隔116天就會(huì)出現(xiàn)一次。

我們知道，兩點(diǎn)之間直線距離最短。要探測(cè)火星，應(yīng)當(dāng)把航天器直接送入火星才不會(huì)走彎路，但是這就要求發(fā)射用的運(yùn)載火箭能夠提供更大的推力并讓探測(cè)器搭載火箭攜帶大量燃料供其消耗。不過(guò)，攜帶燃料越多，質(zhì)量越重，對(duì)火箭推力的要求和發(fā)射成本就越高，所以我們應(yīng)當(dāng)選擇一條消耗能量最少的路線，而不是距離最短的路線。1952年，科學(xué)家霍曼計(jì)算出一條發(fā)射行星探測(cè)器的最佳軌道，即外切于地球公轉(zhuǎn)軌道同時(shí)內(nèi)切于行星公轉(zhuǎn)軌道的橢圓過(guò)渡軌道，又稱(chēng)霍曼軌道。對(duì)地外行星（火星、木星、土星、天王星、海王星）發(fā)射探測(cè)器多用這種軌道，而對(duì)地內(nèi)行星（水星、金星）發(fā)射探測(cè)器則要用內(nèi)切于地球公轉(zhuǎn)軌道同時(shí)外切于行星公轉(zhuǎn)軌道的霍曼軌道。

以火星為例，地球和火星在繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，兩者距離最大時(shí)可達(dá)4億多千米，而最近時(shí)，即和太陽(yáng)處在同一條直線上時(shí)，只有5500多萬(wàn)千米，相差3億多千米。由于會(huì)合周期為780天即26個(gè)月，所以滿(mǎn)足初始相位角為44°的時(shí)機(jī)每隔780天才來(lái)臨一次。當(dāng)然，由于軌道形狀可在一定范圍內(nèi)改變，發(fā)射窗口可以持續(xù)幾十天之久。航天器沿霍曼軌道飛向除地球以外的七大行星的最小速度及航行時(shí)間分別為：

由此可見(jiàn)，行星距離地球越遠(yuǎn)，要求航天器的速度越大、航行時(shí)間越長(zhǎng)。

計(jì)算表明，航天器的初始速度只要增加一點(diǎn)兒，就可使飛行時(shí)間顯著縮短。因此在實(shí)際發(fā)射航天器時(shí)并不一定都采用霍曼軌道，根據(jù)情況有時(shí)可用與目標(biāo)行星軌道相交的大橢圓形軌道，飛往地外行星時(shí)也可采用拋物線軌道。

若要行星探測(cè)器從其他行星返回地球，也不是什么時(shí)間都可以。不僅要等待發(fā)射窗口，還要在發(fā)射時(shí)攜帶返回運(yùn)載火箭。比如，飛往火星的探測(cè)器要想返航，就必須在飛到火星后，繞其運(yùn)行，作為火星的衛(wèi)星等待一段時(shí)間，直到火星運(yùn)行到地球前面75。的時(shí)候，才能離開(kāi)火星，飛回地球。這個(gè)等待時(shí)間長(zhǎng)達(dá)450天，加上探測(cè)器往返火星花費(fèi)的533天，來(lái)回共需983天。金星探測(cè)器需要在金星外圍停留475天才能返回地球，所以來(lái)回金星一次共需782天。木星探測(cè)器在木星附近需停留215天才能返回地球，所以來(lái)回木星一次共需2223天。

如果是載人的航天任務(wù)，在發(fā)射航天器時(shí)除了要攜帶推力更大的返回運(yùn)載火箭，還要為載人航天器選擇較短的飛行路線。考慮到航天員吃飯等生活問(wèn)題，飛船要攜帶足夠的食品，于是整體重量就會(huì)增加，也因此需要限制食物的攜帶量。由于食物等各方面物資有限，所以航天員一般不會(huì)在被探測(cè)的行星停留太久，不會(huì)等待返回的發(fā)射窗口。所以，載人航天器基本上都是按照事先準(zhǔn)備好的軌道方案及時(shí)返航，帶回探測(cè)成果。

航天器的運(yùn)行軌道，有點(diǎn)兒像汽車(chē)在馬路上行駛的車(chē)道。但是顯然太空中的這些軌道要比汽車(chē)車(chē)道復(fù)雜得多，需要科學(xué)家為此進(jìn)行大量的計(jì)算和研究。不過(guò)，為了以后移民太空做準(zhǔn)備，現(xiàn)在大家可要學(xué)會(huì)識(shí)別這些太空“交通線”呀！