航天器的飞行

世间万物皆会遵循万有引力的规律，航天器若想摆脱地球引力的束缚飞上太空，就需要达到7.9公里每秒的速度，也就是第一宇宙速度。但这个速度只能满足航天器围绕地球飞行，不会掉下来，要想脱离地球引力影响范围，飞向遥远的深空，则需要达到11.2公里每秒的第二宇宙速度。

大家都知道两点之间直线最短。如果是这样，航天器以第二宇宙速度离开地球，6300万公里的距离，只要花上65天的时间就能到达这颗红色的星球，感觉还不错吧？

其实这是不可能的！因为地球和火星不是固定不动的，而且航天器在飞行途中会受到太阳和行星引力的影响。事实上，太空旅行的轨迹远比直线复杂得多。与太阳背向飞行，航天器会受到太阳引力的拉拽，耗费更多的能量。

那么，在理想情况下，不走直线，应该如何到达火星呢？这个命题在20世纪20年代由一位德国人给出了答案。

沃尔特·霍曼，1880年3月18日生于德国，被公认为是人类行星际航行理论方面的先驱。

霍曼的童年有很大一部分时间是在南非度过的，这让他有机会欣赏到南半球美丽的星空，霍曼从小就对太空产生了浓厚兴趣。他非常喜爱阅读法国科幻作家儒勒·凡尔纳和德国科幻作家库尔德·拉斯维茨关于太空旅行的作品。

1904年，霍曼大学毕业后成为一名建筑师。在工作之余，他喜欢阅读有关天文、航天方面的书籍。他思考了一个问题，就是如何让飞行器使用最少的燃料飞到另一颗行星。

经过反复计算，霍曼找到一个最优化的轨道方案，这就是著名的“霍曼转移轨道”。1925年，他出版了一生最重要的专著《天体的可抵达性》，在书中对“霍曼转移轨道”进行了详细论述。

与地球的公转轨道相切，就意味着探测器是沿着地球运行的方向被甩出去的，在已经获得第二宇宙速度的基础上，还额外利用了地球相对于太阳每秒近30公里的公转速度。同时，它的飞行方向与太阳引力方向垂直，并不需要为克服太阳引力消耗更多的燃料。之后，在太阳引力的作用下，探测器会拐一个大弯，来到火星轨道。

目前，人类去火星的探测器通常会选择霍曼转移轨道，这是一条更加漫长和遥远的旅途，因为对于不载人的探测器来说，路上多花点儿时间根本不是事。这是探测器重量与火箭能力之间平衡的结果，因为火箭的运载能力是有上限的，人们又希望探测器能干更多的事情，带上更多的科学仪器，进而有更多的科学产出。所以，在保证能把探测器送到火星同时又满足探测器极限重量的情况下，霍曼转移轨道是最节省发射能量的轨道，实际上是牺牲时间换能量。

如果想要缩短路上的时间，也有办法，要么减轻探测器重量，要么提升火箭的发射能力。路程又短，飞得又快，用时又短，还省燃料，这种情况是不存在的。鱼和熊掌不可兼得。

采用霍曼转移轨道理论发射火星探测器，时间窗口一般选在火星冲日之前的3个月前后，地球、太阳、火星之间的夹角大约为44度，一旦错过就要再等26个月。

美国的洞察号火星探测器就是因为技术故障，错过了2016年3月的发射窗口，不得不等到2018年5月才发射。

又过了26个月，2020年7月，飞向火星的发射窗口再次来临。

中国首次火星探测任务即将启程，开启行星探测之旅。这一次，一支由3个探测器组成的星际舰队从地球出发，目标火星。

阿联酋希望号火星探测器由阿联酋和美国合作研制，于2020年7月20日搭乘日本的H-2A火箭，在日本种子岛发射升空。1500公斤重的希望号于2021年第一季度抵达火星轨道，开始围绕火星飞行。希望号火星探测器的主要任务是研究火星的大气和环境。

美国的毅力号火星车于2020年7月30日从佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心起飞。毅力号火星车有汽车大小，预计会在火星上工作至少1个火星年，它将寻找古代火星生命的迹象。此外，它还携带了1架小型无人直升机，要在火星大气层进行5次短程飞行。

由欧空局和俄罗斯航天局携手研制的罗莎琳德·富兰克林火星车原本计划一同出发。这是一辆六轮太阳能火星车，它安装了摄像头、地面穿透雷达和机载实验室以分析岩石样本，希望寻找火星上的生命迹象。然而受新冠肺炎疫情影响，围绕降落伞的一系列测试无法按时完成，罗莎琳德·富兰克林火星车无奈退出2020年火星探测大军。原以为会延后到2022年10月发射，但2022年2月俄乌战争爆发后，俄罗斯与欧空局的航天合作项目暂停，火星探测再次搁浅。