三大火星任务7月中旬扎堆发射 错过发射窗口就要再等两年

图1：日本的H-IIA 火箭将发射阿联酋的 Emirates Mars MIssion

　　腾讯科技讯，7 月 9 日，据外媒报道，2020 年是太阳系的重要一年，7 月份将有三艘航天器在为期两周的发射窗口被发射往火星，首先是阿联酋火星任务（Emirates Mars Mission），然后是中国的火星一号，最后是美国宇航局（NASA）的毅力号火星探测器。

　　然而，如果错过这个时间，它们将不得不等到 2022 年 9 月才能再次发射。为什么我们每两年左右才能去一次火星呢？这与天体力学密切相关。

图2：NASA 毅力号探测器计划搭乘 Atlas V-541 火箭于 2020 年 7 月/ 8 月在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空

　　三项发射任务

　　2020 年 7 月有三项前往火星的发射任务：

　　1. 阿联酋火星任务：发射窗口从 2020 年 7 月 15 日到 8 月 3 日

　　这是阿联酋首次执行行星科学任务，也是阿拉伯伊斯兰国家的首次发射，此次任务将从日本谷儿岛航天中心发射升空。第一次发射机会出现在 2020 年 7 月 15 日。阿联酋火星任务的探测器名为“希望”号，它将于 2021 年 2 月进入轨道，研究火星上层大气如何受到其下层大气的影响。

　　2. 中国火星一号：发射窗口从 2020 年 7 月 23 日到 8 月初

　　火星一号任务计划搭乘长征五号火箭从中国海南发射。这将是中国第一个火星轨道器、着陆器和火星车的组合。这是一项雄心勃勃的任务，它将在 2021 年 2 月 11 日至 24 日期间部署一颗绕火星运行的轨道器，并于 2021 年 4 月 23 日将火星车送入火星表面进行为期 90 天的探索。

　　3. NASA 毅力号：发射窗口从 2020 年 7 月 30 日到 8 月 11 日

　　毅力号定于 2020 年 7 月 30 日从卡纳维拉尔角空军基地 42 号发射台升空，原定提前 10 天发射，但后被 NASA 推迟。这艘探测器将于 2021 年 2 月 18 日降落在火星上的 Jezero 陨石坑。它将寻找古代生命的迹象，并收集岩石和土壤样本，为可能送回地球做准备。

　　欧洲和俄罗斯的 ExoMars 计划

　　7 月份原来还有第四个前往火星的任务，但新冠疫情导致欧洲航天局和俄罗斯航天局取消了为 ExoMars 计划所做的准备工作。它原定于 2020 年 7 月 26 日从哈萨克斯坦拜科努尔发射场起飞，但现在将在 2022 年 9 月左右起飞，在 2023 年 5 月左右登陆火星。

图3：当火星和地球两颗行星距离很近时，向火星发射探测器更容易

　　扎堆 7 月发射

　　那么，为什么这些发射任务要集中在 7 月中旬至 8 月初呢？天体力学意味着，每 2.2 年就会打开一个“发射窗口”，以便在地球和火星之间进行高效而又经济实惠的发射。地球绕太阳 1 周需要 365 天，火星需要 687 天，也就是 1.88 个地球年，这使得火星和地球的轨道共振相当于接近2：1。

　　因此，每两年多一点儿的时间，地球就会赶上火星，这会让两颗行星短暂地排成一排。这时候，它们离得最近。因此，此时从地球发射探测器前往火星所耗时间最少。此外，火星任务需要沿着霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit）飞行，这种最简单的变轨方式适用于中心天体相同的两个圆轨道之间的轨道转移。

　　飞得更远更快？

　　在很大程度上，决定航天器飞行速度和距离的因素是燃料与重量比率。阿联酋火星任务的副项目经理萨拉·阿米里(Sarah Al Amiri)表示：“当地球和火星的轨道开始汇合时，你可以每两年左右发射一次，因为这意味着飞行距离最短，因此你的航天器需要的燃料也更少。“

　　阿米里解释称：“通常情况下，离开地球的航天器有超过 50% 的重量是所携带的燃料，这推高了发射成本，增加了更多复杂性，这就是为什么航空机构总是选择发射窗口执行任务的原因。”

图4：作为阿联酋火星任务的一部分，“希望”号探测器正准备发射

　　2020 年三次不同火星任务的发射窗口都相差几天。例如，NASA 毅力号将在阿联酋火星任务几天后发射。这是为什么？这取决于所选择的火箭。阿米里说：“发射窗口根据运载火箭的不同而有差异，通常在发射窗口的两端都可能给你挤出一到两天的时间。”

　　实际上，上述三次火星任务的发射窗口都相当长，肯定足以应对短期的恶劣天气。然而，如果由于任何原因导致发射失败，整个任务将需要推迟到 2022 年的发射窗口，也就是所谓的“火星年”。（腾讯科技审校/金鹿）