【科普論壇】 科普：為你解釋關於火星探測的所有疑問 （二）

（二）

編者按：

我國首次火星探測任務天問一號探測器成功著陸火星， 邁出了我國星際探測征程的重要一步，實現了從地月系到行星際的跨越。探測火星的意義何在？如何探測火星？澳門導報從本期開始，特選刊【科普中國】出品的相關文章為讀者解惑。

出品：科普中國

製作：中國科學院上海天文臺（SHAO）天之文科傳團隊

監製：中國科學院電腦網絡信息中心

（續上期  二、技術篇：如何去往火星？①）

二、技術篇：如何去往火星？ ②

　　要離開地球的話，第一宇宙速度還不夠，我們需要再加速，加速到第二宇宙速度（逃逸速度）約11.2 千米/秒。這時候才可以離開地球，那麼需要付出的代價是什麼呢？以阿波羅計畫為例，運載火箭土星五號的全重是3000噸，僅能運送45~48噸的飛船到地月轉移軌道，值得一提的是它在燃燒第一級時，每秒鐘就燒掉13噸燃料，足夠一輛家用小汽車繞地球四圈。

　　離開地球之後就可以踏上前往火星的道路了嗎？還差點。

　　事實證明有個好的路線規劃是能省很多燃料。1925年，沃爾特·霍曼博士就提出了利用太陽引力的霍曼轉移軌道，這條線路最省能源。

　　飛行器從地球到火星沿霍曼軌道運行示意圖（圖片來源：作者提供）

　　他的思路是在地球軌道和火星軌道之間找到一條環繞太陽的橢圓路線。這個橢圓與地球軌道外切，同時與火星軌道內切。以出發時的地球為近日點，相對於太陽的速度最大，達到32.7千米/秒，以到達時的火星為遠日點，相對於太陽的速度最小，只有21.5千米/秒。全過程只需要做兩次加速，一次離開地球軌道，進入霍曼轉移軌道，另一次離開霍曼轉移軌道，進入火星軌道，需要從21.5千米/秒，加速到火星的公轉速度24.5千米/秒。

　　不用做太多加速看起來很省燃料，但也真的很花時間。由於各探測視窗不同，各探測器使用的火箭性能和飛行方案不同，最終探測器的飛行距離達4到7億千米，要飛行6到11個月不等。實際情況也很複雜，中間需要做很多的計算，只有大型專業的航天機構才能完成。

　　對此，《下一站火星》中有這樣一個比喻：

　　“這有點類似讓一個人在滑翔機上（運動速度較快的地球）扔（發射）一粒小石子（探測器）， 在提前很遠的地方（發射視窗），中間有風和空氣影響（恒星和行星等各種引力源）， 準確穿過地面一輛左右前後運動（火星圍繞太陽運動軌道傾角不同，有大偏心率）的小汽車（運動速度較慢的火星）天窗（引力影響範圍，希爾球）後，再掉到司機的水杯裡（環繞火星軌道）。 即便不考慮著陸，探測火星的難度已經可想而知。”

　　飛行的時間長是一個方面，另一方面等待離開地球進入霍曼轉移軌道的時機，也就是發射視窗，也很漫長。按霍曼的要求，這一時間視窗約每26個月才會出現一次，如果錯過了就又是一次漫長的等待。

三、難點篇：火星探測很難，為什麼？

　　火星探測任務一般可分為環繞、著陸和巡視三類。環繞任務，即發射環繞火星運行的探測器，例如歐空局火星快車號、NASA的火星勘察軌道器；著陸任務則是使探測器著陸到火星上去，例如美國宇航局的鳳凰號、洞察號探測器；巡視任務即能夠在火星上進行巡視勘探的火星車，例如美國宇航局的旅居者號、勇氣號、機遇號和好奇號火星車。

　　1960年，前蘇聯向火星發射了火星1A號探測器，它是人類探測火星的開端。1964年，美國成功發射水手4號火星探測器，它是歷史上首個成功到達火星的探測器。從1960年的火星1A 號到2018年“洞察號”，人類共進行了40多次火星探測任務，包括了環繞、著陸、巡視任務，其中成功的任務僅占到約一半。那麼，火星探測為什麼這麼難呢？

難點1——探測器發射視窗少

　　月球探測每年都有窗口期；火星距離地球非常遙遠，每隔約26個月才有一次“火星探測視窗”，因此一旦錯過視窗期，就只能再等兩年。

難點2——測控和數傳面臨的困難大

　　放風箏的時候，風箏飛得再高，還有一根線在手中，那麼，在飛向火星的漫漫長路上，探測器和地面之間也有“一根線”嗎？

　　有的，這就是測控和數傳。

　　測控和數傳指的是地面測控站與探測器保持通訊，即利用地面測控系統對探測器進行定軌定位，利用地面台站向探測器發送遙控指令，接收探測器的科學探測資料。

深空測控通信的難點可以概括為信號空間衰減大、信號傳輸時延長、信號傳播環境複雜以及高精度導航困難[2]。

（未完待續 歡迎關注下期 三、難點篇：火星探測很難，為什麼？之難點2、難點3）