火星|火星地球最近时相距6000万公里,天问一号为何六个多月才到达?( 二 )
虽然理论上火箭发射以后 , 随着燃料的持续供给 , 其飞行速度就会一直增加 , 这样就可以给火箭规划一个最短的路线 , 然而 , 在实际操作中 , 由于火箭的有效载荷仅有以探测器为主体的极小一部分 , 探测器与火箭本体脱离的时间越长 , 那么所需要的燃料就会越多 , 那么无效的能源消耗率将越大 , 所以为了尽可能地减少因携带过多燃料、以及推进大质量火箭本体带来的无效负荷 , 所有火箭发射都是尽可能缩短探测器与火箭分离时间 , 也就是说尽快地使探测器进入预定轨道并达到相应逃逸速度 。
当探测器分离后 , 就可以应用惯性、引力弹弓效应等进一步减少燃料消耗 , 探测器有效的燃料加载 , 将留在推动探测器几次关键的变轨上面 , “好钢用在刀刃上” 。 否则 , 如果燃料供应不上去 , 即使火箭发射成功 , 在后续的探测器飞行过程中 , 又会有脱离预定轨道或者坠毁的风险 。
“天问一号”的飞行轨迹
在刚才的分析中 , 无论是大冲年还是小冲年 , 我们在计算火星和地球的距离时 , 采取的都是二者的直线距离 。 而在探测器跟随着火箭从地球发射 , 然后再到一定的轨道处与火箭分离时依靠惯性飞行 , 它所经历的路线肯定不是直线 , 而是一种弧线或者抛物线 。 从目前来看 , 将探测器从地球发射到火星 , 主要有三条航线:
第一条是冲点航线 , 也就是探测器不是直接飞行火星 , 而是先向太阳飞行 , 利用太阳的引力弹弓效应 , 给探测器提供超强的动力 。 然后进行适当的姿态调整 , 即可再反方向朝着火星行进 。 这种方式的优点是速度最快、所需时间最短 , 缺点也非常明显 , 即行进路线最长、经过的星际空间环境最复杂、不可控因素最多、难度最大 。
第二条是快速合点航线 , 主要是利用燃料“硬驱动”的方式 , 在探测器飞行途中持续供应燃料 , 推动探测器也持续改变航线 , 从而获得最佳的捷径 。 它的优点是路程最近、所需时间较少、安全性也较高 , 但致命的缺点就是耗费燃料量太大 , 经济性最差 , 通常不被科学家们所选择 。
第三条是霍曼转移轨道航线 , 这是一条首尾分别与地球和火星相切的巨大椭圆形轨道 , 在探测器运行过程中 , 只需要两次较大规模的变轨操作 , 其中一次是推动探测器从地球低轨升至高轨的转移轨道 , 第二次是到达火星轨道之后 , 通过转移轨道降速行进到绕火星运行的低轨道 。 这个航线的优点是最节省燃料 , 同时飞行的难度最低 , 成功率最高 , 唯一的缺点是所需的时间最长 。
“天问一号”采用的正是上述第三种方案 , 也是最常用的霍曼转移轨道航线 , 由于发射时机是火地相合(距离最远)时 , 这个时期探测器除了通过燃料推进之外 , 还会有一部分的地球公转线速度的加持 。
【火星|火星地球最近时相距6000万公里,天问一号为何六个多月才到达?】所以它在摆脱地球引力时的速度可以达到30公里每秒 , 而通过这种转移轨道的航线 , 探测器所行经的总路程要达到近5亿公里之遥 , 所以换算下来 , “天问一号”从地球到达火星的总时长 , 也得需要200天左右 , 这就是为何需要经过这么长时间到达的原因 。
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