天问一号以什么样速度飞往火星天问一号以什么样速度飞往火星?
简单的说,火星最近时距离地球约6000万公里左右,最远时距离地球约4亿公里 。一般来说,火星探测器发射是在火星距离地球比较近的窗口发射,今年是地火相冲年,也就是有一次比较近的窗口,最近时距离地球只有6300万公里 。
2020年7月23日12时41分,长征五号遥四运载火箭(昵称“胖五”)文昌航天发射场点火升空,将中国首次火星探测任务的“天问一号”探测器送入轨道,开启了中国深空之旅的首航 。那么这次“天问一号”的征程有多长呢?请听时空通讯细细道来 。
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航天发射必须遵循的最基本常识就是:三个宇宙速度 。
这三个宇宙速度是:第一宇宙速度为7.9km/s,叫环绕速度 。达到这个速度,航天器就不会被地球引力拽下来,也脱离不了地球引力,现在的所有人造卫星、空间站等地球轨道航天器,都是遵循这个发射速度;
第二宇宙速度为11.2km/s,叫脱离速度 。达到这个速度就可以脱离地球引力,飞往别的行星,如火星探测器发射必须达到这个速度;
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第三宇宙速度为16.7km/s,是在地球轨道脱离太阳引力的速度,又叫逃逸速度,与本文没多大关系,这里就不多扯了 。
从三个宇宙速度来看,到火星每秒必须达到11.2公里的速度 。如果是在地火相冲的最近发射窗口发射,其距离充其量有7000万公里,这样我们按照每秒至少11.2公里的速度,就可以算出到达火星的时间为:70000000/11.2/3600/24≈72天 。
因此只要飞72天多点,也就是两个多月的时间就到了 。可航天局发言人刘彤杰宣称,天问一号地火转移飞行约需6.5个月,也就是约200天左右才能到达,这又是为什么呢?
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原来飞火星并不是直来直去那么简单 。
我们知道,太阳系所有行星都在自己的轨道围绕着太阳公转,这些轨道都是一个个环状 。如果从靠太阳最近的水星算起为1环,那么金星就是二环,地球就是三环,火星就是四环,然后是木星、土星、天王星、海王星,类推为五六七八环 。
由此我们可以看出地球与金星和火星是左右邻居,是靠得最近的两个星球 。但地球和火星两个星球在自己轨道上以不同的线速度公转,地球公转线速度为29.8km/s,火星公转线速度为24.32km/s,这样两颗行星就不会老在相同的距离 。
人们把行星运行到太阳同一侧靠得最近的时候就叫“冲”,各自在太阳不同的侧面最远时,就叫“合” 。地球和火星相冲时,一般在6000万公里左右,相合最远时约4亿公里左右 。
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计算行星相冲间隔时间公式为:1/S=1/E-1/T 。
式中,E是地球的公转周期,T是行星轨道周期,S是地球与这颗行星的会合周期 。这个公式可以计算地球与各大行星的相冲时间间隔 。代入地球和火星公转周期:E(地球)=365.25天,T(火星)=686.98天,可求出地球和火星相冲时间间隔为:S=779.93天 。
因此发射火星探测器,最节省燃料旅途最短的就是地火相冲的年份 。今年就是相冲年,地火最近距离时为6300万公里 。但这并不等于发射的航天器只要飞行6300万公里就能够到达火星,因为地球在走,火星也在走,而且还要本着节省燃料的原则走最佳路线 。
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航天发射遵循的最重要原则是节省燃料 。
这是因为迄今为止,人类发射航天器除了把航天器送上天,就再也带不了更多的燃料 。
由于脱离地球引力需要巨大能量消耗,而且这种消耗主要用在火箭自身质量和燃料消耗质量上,真正的有效载荷占比重很小 。比如上世纪美国发射登月飞船采用土星五号火箭,起飞重量达到3038.5吨,进入月球轨道的有效载荷才有45吨,也就是说85%以上的重量都是用于发射 。
而我国发射“天问一号”用的长征五号遥四运载火箭(昵称“胖五”),发射重量达到870吨左右,而进入火星转移轨道的“天问一号”只有5吨左右,其中载荷的90%以上都是用于火箭本体和燃料 。只有5吨的“天问一号”还能够携带多少燃料?
发射进入轨道的航天器如果要携带更多的燃料,火箭说携带的发射燃料就需要更多,这样起飞重量就成指数级增加,这就是一个极大的矛盾 。所以深空探测器的发射最重要的就是本着最节省燃料的原则 。
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