飛往火星的最佳時機是何時？

季芳

2020年7月，阿聯酋、中國和美國扎堆發射了各自的火星探測器“希望號”“天問一號”和“毅力號”。為什么他們都選擇了這個時間，難道火星探測也要“隨大流”嗎？其實，這是因為天文學家們計算出來，2020年的7～8月是火星探測的窗口期，探測器在這段時間從地球上出發能用最少的燃料和最短的時間到達火星。

現在，就讓我們跟著天文學家算一算這個窗口期吧。

根據數學知識，我們知道兩點之間線段最短，但這兩點指的是靜止的兩點，而火星和地球則保持著永不停歇的公轉運動，并且地球的公轉軌道比火星要小，公轉速度比火星要快一些。想象一下，火星和地球是環形跑道上的兩個運動員，地球跑的是內圈，而且速度要更快一些。如果地球上的人在地球和火星并排時（即火星和地球轉到太陽的同一側且連成一線的現象，天文學上將這種現象稱為“火星沖日”）向其投擲物品，這個物品的速度跟地球的相同，比火星更快，最終這個物品是不是會掉到火星的前方呢？因此，最適合的投擲時間應是火星比地球領先一段距離的時候，這樣火星才能穩穩“接住”探測器。

1925年，德國工程師沃爾夫岡·霍曼提出了一條發射探測器的最經濟路線，稱之為霍曼轉移軌道。這個方案中，探測器從地球上發射后，初始速度與地球相同，發動機點火后將略微改變它的前進方向和速度，使得探測器的運動軌道變成橢圓形，最后在某個點與火星交會。沿著這條軌道飛往火星，所需要的初速度和抵達火星時的速度都是最小的，這樣就能最大限度地減少燃料的消耗。

根據計算，探測器沿這條橢圓形的霍曼轉移軌道前往火星，單程大約需要259天。火星公轉一周的時間約為1.88年，在探測器259天的航行時間中，火星移動的距離對應的圓心角大約135.5°。因此我們可以得出結論，探測器出發時，火星與地球的夾角為44.5°。當火星位于地球前方，兩者之間夾角為44.5°時，我們將探測器發射出去，讓它的運轉軌道呈現橢圓形，飛行約259天就可以到達火星。

2020年的七八月份，地球和火星正處于這個理想位置上，如果錯過這個時間，這樣的理想位置大約要再等上779天才會出現，所以世界各國才會爭相在7月份的時候發射火星探測器。