特斯拉跑车赶往火星佳期难遇北京时间2月7日04:45 分许

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北京时间2月7日04:45 分许，太空探索技术公司(Space X) 旗下的新型火箭，也是现役运力最强火箭“重型猎鹰”火箭首飞成功。此次发射在佛州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心 39A 发射台进行，“重型猎鹰”的首次飞行将搭载马斯克的一辆红色特斯拉 Roadster 跑车。理想状态下，这辆跑车将在太空中漂浮数十亿年时间。

这种脱胎于猎鹰9号技术的新火箭，将成为SpaceX创始人埃隆·马斯克移民火星梦想的先行者，其强大的运载能力足以将16.8吨重的航天器送入前往火星的轨道。由于本次发射主要目的是验证火箭性能，同时发射也存在较大风险，猎鹰重型火箭首飞时将不会搭载任何传统意义上的航天器，而会将马斯克的特斯拉Roadster跑车送入太空之中。对于本次发射，有媒体报道这辆跑车的最终目的地将是火星。但事实上，它真的能到达火星吗？

在太空中，要想真正到达火星，需要考虑的问题要复杂得多。飞船在设法挣脱地球的引力后还要考虑在太阳引力的作用下，沿着一条合适的路径从地球附近转移到火星附近。

1925年，德国工程师瓦尔特·霍曼给出了从距离中心天体距离不同的圆轨道间相互转移的最省时省力的途径：飞行器可以在较低的圆轨道上进行加速（A点），进入一条椭圆轨道上。这个椭圆轨道的两端分别与较低的圆轨道和较高的圆轨道相连。当飞行器到达椭圆轨道与较高圆轨道相切的位置时（B点），需要再次加速，以进入较高的圆轨道。这种被称作“霍曼转移轨道”的路径在航天飞行中得到了广泛的应用。

除了去往火星外，火箭发射在地球同步轨道工作的卫星时，也会采取类似的方法。火箭一般不会直接将卫星发射到距离地面3.6万公里的地球同步轨道上，而是先将卫星送到一条椭圆轨道的近地点上，再由卫星在椭圆轨道的远地点上打开发动机加速，进入静止轨道。这条椭圆轨道一般被称为地球同步转移轨道，同样属于霍曼转移轨道的具体实现，只是中心天体变成了地球。

在太空中，一旦围绕某个中心天体飞行的轨道确定了，飞行器的飞行速度也就同时确定了。如果沿着霍曼转移轨道从地球飞到火星，总共需要度过大约8个月左右的时间。虽然我们已经通过国际空间站的运行掌握了一些宇航员长期在太空中工作生活的经验，但处于地球磁层保护下的国际空间站，所受的辐射水平比去往火星的转移轨道上要低不少。

在确定路线后，如果随便选择一个良辰吉日就进行发射，可能会使得这段旅程的结局变得十分尴尬：飞船成功到达了火星轨道，却没有发现火星的踪影。霍曼转移轨道只能保证成功地到达火星的公转轨道，然而火星此时可能处于轨道上的任意一个位置，并不一定与飞船相遇。因此，必须选择在地球和火星的相对位置合适时发射飞船，才能保证成功到达火星。这样的发射时机，大约每26个月才会出现一次，错过后就必须等待下一次发射窗口。

那么，马斯克的特斯拉跑车究竟能否到达火星呢？猎鹰重型火箭第一级和助推器能够提供强大的起飞推力，第二级具有在轨道上多次开机和长时间工作的能力，能够执行较为复杂的变轨任务。因此，帮助跑车挣脱地球引力和进入霍曼转移轨道的工作，可以由火箭的多次点火变轨完成，不用跑车自己“操心”。然而，由于猎鹰重型火箭并没有选择今年5月到来的地球-火星发射窗口发射，在霍曼转移轨道的另一头，跑车也许并不能与火星相见。而即便火箭选择了合适的发射窗口，跑车到达火星后，也没有动力减速以使火星捕获它。因此，这辆跑车很可能将永远停留在转移轨道上，在地球与火星轨道间来回穿行。

采用现有方式去往火星时，飞船在火星附近的减速是个风险较大的操作，减速时机和发动机在减速时的工作时间，必须把控非常精准才能确保成功。采用弹道捕获法时，飞船在靠近火星后将“自动”被火星捕获，无需再进行减速。据估算，弹道捕获法能够将去往火星的燃料消耗降低25%左右，从而能降低发射成本，或将空余出来的重量用来搭载有效载荷。这种方法唯一的缺陷在于飞行时间延长。如果搭载宇航员的载人飞船采用这种办法去往火星，飞行时间将比采用现有方法延长几个月。目前，弹道捕获法还停留在理论阶段，实际成效还有待在任务中得到验证。

（作者单位：中国科学院国家空间科学中心）