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本文目录一览:

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作者:佰思科学|沈东旭 邱亚明

发射于2020年7月23日的天问一号,经过将近7个月的长途跋涉,将于在2021年2月10日左右进入火星轨道。而我我国自主研制的70米口径全科动天线,也是亚洲最大单口径天线,也将正式上岗,专门用来“接听”火星信号!那么,为什么问天要飞行将近7个月这么久呢?能不能再快点?

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火星围绕地球旋转轨道

讲真,以目前的技术水平,很难更快了。要知道,地球到火星之间的距离,最近时大约5500万公里,最远有大约4亿公里。假如把地球看成静止的话,火星每gé大约780天运行到距离地球最近的位置上,也就是两年多一点的时间,这被称作地火的会合周期。这次天问一号正是赶上了地火相接近的机会发射的。

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2000年到2030年间的地火距离(1AU相当于1亿5000万公里)

天问一号离开地球时候的速度约有33km/s,随着距离地球越来越远,速度逐渐下降,接近火星时候速度在22km/s左右。

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天问一号自拍

有人可能想说,你当我不识数啊。假如用最近距离5500万公里除以22km/s的速度,也就是29天左右;而从2020年7月23日到2021年2月10日,zhōng间相隔了202天,将近7个月啦,这差得可太大啦!

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沃尔特·霍曼

其实这里有个误解,飞船从地球到火星,不是沿最短路径走直线,通常走一条叫“霍曼转移轨道”的路线。沃尔特·霍曼(1880-1945)是一位德国工程师,他在1925年出版的一本书里展示了霍曼转移轨道。这lǐ先简单介绍一下什么是霍曼转移轨道。

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霍曼转移轨道是一条椭圆轨道(图中黄线)

假如飞船要从标为1(上图蓝色圆)的圆形轨道出发,进入圆形轨道3,怎么走才能最省燃料呢?一个简单易行的方法是,通过1和3之间的椭圆轨道运行。具体实现方法参见下图,图中飞船先在轨道1上加速,从圆形轨道1变轨为椭圆形的轨道2,然后发动机关机;等飞船依照惯性飞行到椭圆轨道顶点,也就是与圆形轨道3相交的位置时,再一次加速变轨,进入圆形轨道3。

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霍曼转移轨道

因此,只需要经过两次加速变轨,飞船就能从轨道1抬升到轨道3,这就是霍曼转移轨道。霍曼转移轨道也是对称的。当飞船从轨道3飞回轨道1时,需要两次减速,消耗同样多的能量。可以证明,在这种简单情况下,霍曼转移轨道消耗的燃料最少。对从地球到火星这种情况来说,走标准的霍曼转移轨道需要耗时大约9个月。

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天问一号的飞行轨迹示意图

天问一号走的不是标准的霍曼转移轨道。2020年10月9日,天问一号做了一次深空机动,火箭上推力为3000牛顿的主发动机工作了480秒,相当于变轨。因此,天问一号到达火星的时间是6个月多一些,比走标准霍曼转移轨道的时间短。等到达火星时,天问一号总共的飞行距离是4.7亿公里,远高于地火之间的最近距离5500wàn公里。

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天问一号

那么问题来了:天问一号去火星,还能再快一点吗?答案是:不能了。为什么呢?简单点说就是:飞船携带的燃料是有限的,想跑得更快,必须在飞行途中多次点火。多次点火不是问题,问题是没法多次点火–没有那么多燃料啊。让我们来看看天问一号的燃料都用到了什么地方。

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天问一号拍摄的地月合照

当天问一号从地球出发进入地火转移轨道时,一家人qí齐整整有5吨重。在这5吨中,环绕火星飞行的轨道器重量为3.175吨,火星车240公斤,携带火星车登陆的着陆器,估计重量在一吨左右,留给燃料的重量应该不到1吨。

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天问一号结构

天问一号在中途要进行四次轨道修正,不过这样的轨道修正消耗不了太多的燃料。最费燃料的是中途变轨时,3000牛顿发动机工作480秒,估计消耗300多公斤燃料。等到了火星,天问一号还要刹车从而被火星引力捕获。

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天问一号到达火星之后的轨道

之前曾经说过,天问一号要进入火星环绕太阳轨道需要加速,为什么现在变成减速了呢?原来,天问一号不是要绕太阳运行,而是环绕火星运行。成为火星卫星的速度小于天问一号接近火星时的飞行速度,因此是减速而不是加速。从上图我们可以看出,这之后天问一号还要再做几次变轨,到时候燃料也就消耗得差不多了。

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天问一号火星任务的各个阶段

作为对比,美国最早的火星着陆器,海盗一号,发射于1975年8月20日,到达火星的时间是1976年6月19日,路上整整花了10个月时间,走的是标准的霍曼转移轨道。美国2018年5月5日发射的洞察号(InSight)着陆器,2018年11月26日到达火星,用时也是6个多月。总之,以目前化学火箭的能力,到达火星最快的时间,很难降到6个月以内。

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美国洞察号火星探测器轨dào

对无人探测器来说,六个月、甚至更长的地火旅行时间不是什么障碍。可对未来要登上火星,甚至殖民火星的人类来说,6个月的旅行时间就太长了。人在太空中呆这么长时间,暴露在宇宙射线之下,同时面临着失重的环境,对人体健康很不利。哥伦布第一次横渡大西洋发现美洲大陆,花了37天时间。第二次去美洲,因为路熟了只用了17天。未来真要殖民火星的话,40以内、最好十几天的路途耗时还是比较合适的。

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万户的故事

据西方传说,中国明朝时期有个叫万户的官员,在椅子下面绑了47枚烟花火箭,终于成为人类征服太空过程中的第一个烈士。由于在中国古籍中查无此人,此事大概率是编的。人类自从20世纪进入航天时代之后,所用的火箭技术其实与万户并无本质区别,仍然在利用化学能推进。今日航天大航海时代,这些古董般的化学火箭相当于古时候人力tuī进的独木舟,连帆船都算不上。真的要遨游太阳系,还需要等到更高水平的太空火箭引擎面世才行。

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未来的太空引擎

在我们以后的文章中会继续探讨这个话题。

#天问一号即将绕火飞行,为什么天问去火星花了6个多月,还能更快吗?#

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