探火新路径：在公转轨道等火星

<p style="text-align: center; text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"> </p><p style="text-align: center; text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">印度曼加里安火星探测器采用“霍曼转移法”飞行轨迹示意图</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>核心提示：</strong>近日，美国波音公司的两名科研人员公开发表研究成果，他们提出了一种“ 弹道捕获”的火星探测方法。这种方法不同于目前通用的“霍曼转移法”，不需要直接瞄准火星，而是向火星的公转轨道靠前的位置发射，等待火星赶上航天器，让两者在深空交会。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">那么，如今各国探火采用的“ 霍曼转移法”是怎么回事？ 新的“ 弹道捕获法”又有什么优越性？</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>霍曼轨道</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>26个月才有一个窗口</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">向火星发射航天器可选用多种飞行路线。为了节省能量，截至目前，各国的火星探测器都采用初始速度最小的飞行路线，并将其称为最佳轨道。理论上说，最佳轨道只有一条，即外切于地球公转轨道、内切于火星公转轨道的“双切式椭圆轨道”，又称为“霍曼轨道”或“霍曼转移法”。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">这种传统方式是计算出火星在某个时间点将到达什么位置，然后用运载火箭将航天器在同一时刻送达那里，促成两者交会。霍曼轨道虽可节省运载火箭燃料消耗，却因速度偏小而使得飞行时间较长。目前，人类发射探测器到火星上的单程就要花费将近9个月的时间。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">此外，采用“霍曼转移法”需要精确计算发射窗口，而且这样的窗口期相对来说较少。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">由于地球和火星都在绕太阳运行，两者的相对位置不断发生变化。当太阳、地球、火星处于同一条直线上时，称为相冲，两次相冲间隔的时间叫做会合周期。在一个会合周期内地球、火星及太阳三者之间的每一种相对位置只能出现一次，故对选定的霍曼轨道来说，每一个会合周期内只有一次有利的发射时机。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">火星与地球的会合周期为780天，即将近26个月。也就是说，每隔26个月才有一次沿霍曼轨道发射火星探测器的窗口。虽然轨道形状可以在一定范围内改变，发射窗口的时间区段能持续几十天之久，所以仍给发射航天器留下了少许自由度。尽管如此，这样的发射方法限制性仍然较大。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">更为不利的是，用“霍曼转移法”向火星发射的探测器，因为在到达目的地时仍以相对较快的速度前进，难以被火星引力捕获而进入环绕后者的轨道运行，故而它在飞抵火星时需要制动减速。由于这种制动需要航天器携带大量推进剂，因此人类对这颗红色星球的探测任务就变得又耗时又笨重又昂贵。这样一来，让探测器成功进入环绕火星轨道就成为不易之事。截至目前，人类共进行过41次火星探测计划，23次失败，失败率过半。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>弹道捕获</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>不瞄准火星 窗口会更大</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">波音公司的两名科研人员弗朗切斯科·托普托和爱德华·贝尔布鲁诺在研究中提出了一种探火的新方法，这种方法不需要直接瞄准火星，而是将探测器发射到火星绕日公转的轨道上位于火星前方的位置，让探测器在那里等待火星到来，进行深空交会。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">该方法的优越性之一就是没有必要赶在最佳发射期间发射，不需要等待长达两年多的发射窗口，大大拓宽了发射机遇，使发射火星探测器的时间可以随时选择。这种方式被称为“弹道捕获法”，是向火星发射航天器的一种创新方式。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">火星位于地球的外侧，是一颗外壳为固体的行星，距离太阳2.279亿公里，约为地日距离的1.52倍，绕日公转一周需687 天，它的赤道半径为3397公里，体积是地球的15%，自转周期为24小时37分23秒，仅比地球自转周期长41分钟。同时，它还有两颗天然卫星，被认为是太阳系中最有可能存在地外生命的天体之一，因而对其进行航天探测也特别受到人类重视。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">目前，科研人员已能够随时了解和掌握地球与火星的相对位置，正因如此，这就为采用“弹道捕获法”向火星绕太阳公转轨道前方发射探测器提供了极大方便。显然，探测器飞抵火星绕日公转轨道前方的位置应当越近越好，同时要尽量地比火星的运行速度要慢，以免两者交会的时间等待过长，造成不必要的燃料浪费。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">此外，探测器飞抵目的地的位置，应略高于火星公转轨道，既可使运行速度稍慢于火星，又容易被后者的引力所捕获，两者相遇后及时进入环绕火星的轨道运行，避免失之交臂。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>优点明显 缺点也不少</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">依照“弹道捕获法”向火星发射的探测器，比采用“霍曼转移法”发射的探测器飞行的速度更小，且与火星交会时无需减速，在火星引力的作用下即可环绕火星运行，探测器自身也不需要携带制动减速系统。虽然这个方法大大降低了火星探测任务的成本，但是却使飞行时间增加了一个月，这对载人探火活动构成了问题。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">对此，波音公司的两名科研人员认为“弹道捕获法”可以成为将无人航天器送到火星的最佳方法。其中一部分探测器可用于达到无人火星探测等科学目的，另一部分可专门为已抵达火星的航天员提供补给，如运送设备等。如果航天员未来登陆火星开展探测工作和科学实验，这种运送方式将能有效解决其补给困难。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">“弹道捕获法”虽有明显优点，但亦有不足之处。其缺陷就在于它无法使探测器直接进入火星的低空轨道，因此需采取措施将探测器转移到足够低的轨道上运行，才能进行科学探测，或者让探测器在火星表面着陆。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">为此，探测器需要专门装载相应的火箭和一定的推进剂，以便与火星交会后适时进行制动，逐渐降低运行高度。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">不过波音公司的科研人员认为，相比“霍曼转移法”，“弹道捕获法”中制动火箭减速系统所需要的推进剂少得多，仍然有效地降低了总体成本。目前，波音公司正在完善低成本上火星的“弹道捕获法”这一设想，并开展可行性研究。这其中的每一个新釆用的关键环节不仅理论上要讲得通，而且要在实践上进行验证。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">如果将来的实践证明“弹道捕获法”切实可行，那也为人类探测太阳系的其他行星尤其是类地行星提供了借鉴经验，可以推广使用。（尹怀勤）</p><br />