火星發射窗口與(yu) 火星、地球、太陽的相對位置有關(guan) 。要掌握出這些天體(ti) 的“謎之走位”，我們(men) 才能找到一條省時又省油的最佳路線。

地火最近

眾(zhong) 所周知，太陽係現在有八大行星，從(cong) 裏往外，地球排老三，火星排老四，是個(ge) 塊頭比地球小的紅色鄰居。

根據向心力公式和引力公式，我們(men) 可以得出越外圈的行星角速度越小。因此，火星繞著太陽跑圈要比地球慢上一拍，公轉周期約為(wei) 687個(ge) 地球日。地球有時候在追趕火星，有時候又在遠離火星，大約每26個(ge) 月會(hui) 相遇一次。地火距離最近時5600萬(wan) 公裏，最遠達到4億(yi) 公裏。以地球視角，在地球“超車”火星的那段時間，火星會(hui) 短暫出現“逆行”。

正因如此，火星在中國古稱“熒惑”：顏色熒熒似火，行蹤令人迷惑。插句題外話，由順行轉逆行/由逆行轉順行的那段時間，火星會(hui) 在視覺上呈現出短暫的停留。如果停留的位置正好是心宿（天蠍座），就是古人認為(wei) 大凶的星象“熒惑守心”。

言歸正傳(chuan) 。要找出火星發射窗口，我們(men) 直觀上的第一考慮是火星和地球之間距離最近的時刻，即“地火最近”。

每隔大約26個(ge) 月，地球會(hui) 行進到太陽和火星之間，連成一條直線，稱作“火星衝(chong) 日”。在這段時間，每當太陽剛從(cong) 西邊落下，火星就從(cong) 東(dong) 邊升起。而每當太陽從(cong) 東(dong) 邊升起，火星又恰好從(cong) 西邊落下，因此整夜可見。並且，此時火星在夜空中十分明亮，是觀賞火星的最好機會(hui) 。

如果行星軌道是個(ge) 正圓，那日地火三點一線時，顯然也正好是地火最近。但在現實中，地球和火星的軌道都是橢圓形，且火星的軌道比地球還要略扁平一些。因此，“火星衝(chong) 日”和地火最近並不一定重疊。

“地火最近”與(yu) “火星衝(chong) 日”

從(cong) 上圖就可以看到，2016年5月22日發生火星衝(chong) 日，但5月30日才是地火最近。

大約每隔15到17年，火星衝(chong) 日會(hui) 發生在火星近日點附近，稱作“火星大衝(chong) ”。此時，地火距離也會(hui) 格外地近。由於(yu) 地球軌道和火星軌道並不完全處於(yu) 同一平麵上，且受到其他天體(ti) 的引力影響不斷微調，“火星大衝(chong) ”時的地火距離也非固定。

火星軌道和地球軌道不在一個(ge) 平麵

上兩(liang) 次火星大衝(chong) 發生在2018年7月和2003年8月。2003年的那次火星大衝(chong) ，地火距離縮到了約5576萬(wan) 公裏，為(wei) 近6萬(wan) 年來最短！

省油軌道

那麽(me) ，我們(men) 是不是該在地火最近的時候發射火星探測器呢？其實並不是。除了時間成本，科學家和工程師們(men) 還要考慮重要的燃料成本。

火星探測器並非直線撲向火星，在地球引力和發射動力的雙重影響下，它以一道曲線進入太空，點火進入一個(ge) 軌道，隨後熄火進入慣性滑行，等待火星來到之後，再點火推進。

這中間的路線設計可以有多條，但最省燃料的一種就是“霍曼轉移軌道”。通過這種方式，飛行器可以關(guan) 閉引擎滑行最長的距離。

如下圖所示，霍曼轉移軌道是以太陽為(wei) 其中一個(ge) 焦點的橢圓軌道，與(yu) 低軌道（地球軌道）和高軌道（火星軌道）都相交。

當地球運行到霍曼轉移軌道的近日點，飛行器啟動發射，加速離開低軌道；而當火星運行到霍曼轉移軌道的遠日點，飛行器啟動轉移，加速進入高軌道。

霍曼轉移軌道

當然，飛行器必須在精確的時間窗口內(nei) 發射，才能恰好在霍曼轉移軌道的遠日點和火星相遇，被火星引力捕獲。這就好像大範圍轉移傳(chuan) 球，需要預判隊友的跑位。合適的出腳機會(hui) ，也是每26個(ge) 月出現一次。

下一次紅色星球降臨(lin) 霍曼遠日點的日期，是2021年2月11日。也就是說，這一批發射的探險勇士們(men) ，還要漂泊將近7個(ge) 月。

1、
5、
6、深圳科普各種比賽歡迎參與(yu)