最近火星發射檔期有點滿。阿聯酋的“希望”最先啟程，中國緊跟著發出“天問”，美國則把“毅力”留到了7月底。要不是疫情耽擱了，歐空局和俄羅斯合作的“羅莎琳德·富蘭克林”原本也會湊這個熱鬧。


　　為什么去火星要扎堆？原來，2020年7月下旬至8月上旬是本輪的火星發射窗口，錯過了這段時間，那就要像歐空局一樣等到26個月之后了。
火星發射窗口與火星、地球、太陽的相對位置有關。要掌握出這些天體的“謎之走位”，我們才能找到一條省時又省油的最佳路線。


　　地火最近


　　眾所周知，太陽系現在有八大行星，從里往外，地球排老三，火星排老四，是個塊頭比地球小的紅色鄰居。


　　根據向心力公式和引力公式，我們可以得出越外圈的行星角速度越小。因此，火星繞著太陽跑圈要比地球慢上一拍，公轉周期約為687個地球日。地球有時候在追趕火星，有時候又在遠離火星，大約每26個月會相遇一次。地火距離最近時5600萬公里，最遠達到4億公里。以地球視角，在地球“超車”火星的那段時間，火星會短暫出現“逆行”。


　　正因如此，火星在中國古稱“熒惑”：顏色熒熒似火，行蹤令人迷惑。插句題外話，由順行轉逆行/由逆行轉順行的那段時間，火星會在視覺上呈現出短暫的停留。如果停留的位置正好是心宿（天蝎座），就是古人認為大兇的星象“熒惑守心”。


　　言歸正傳。要找出火星發射窗口，我們直觀上的第一考慮是火星和地球之間距離最近的時刻，即“地火最近”。


　　每隔大約26個月，地球會行進到太陽和火星之間，連成一條直線，稱作“火星沖日”。在這段時間，每當太陽剛從西邊落下，火星就從東邊升起。而每當太陽從東邊升起，火星又恰好從西邊落下，因此整夜可見。并且，此時火星在夜空中十分明亮，是觀賞火星的最好機會。
如果行星軌道是個正圓，那日地火三點一線時，顯然也正好是地火最近。但在現實中，地球和火星的軌道都是橢圓形，且火星的軌道比地球還要略扁平一些。因此，“火星沖日”和地火最近并不一定重疊
　從上圖就可以看到，2016年5月22日發生火星沖日，但5月30日才是地火最近。


　　大約每隔15到17年，火星沖日會發生在火星近日點附近，稱作“火星大沖”。此時，地火距離也會格外地近。由于地球軌道和火星軌道并不完全處于同一平面上，且受到其他天體的引力影響不斷微調，“火星大沖”時的地火距離也非固定。


　　火星軌道和地球軌道不在一個平面


　　上兩次火星大沖發生在2018年7月和2003年8月。2003年的那次火星大沖，地火距離縮到了約5576萬公里，為近6萬年來最短！


　　省油軌道


　　那么，我們是不是該在地火最近的時候發射火星探測器呢？其實并不是。除了時間成本，科學家和工程師們還要考慮重要的燃料成本。


　　火星探測器并非直線撲向火星，在地球引力和發射動力的雙重影響下，它以一道曲線進入太空，點火進入一個軌道，隨后熄火進入慣性滑行，等待火星來到之后，再點火推進。


　　這中間的路線設計可以有多條，但最省燃料的一種就是“霍曼轉移軌道”。通過這種方式，飛行器可以關閉引擎滑行最長的距離。


　　如下圖所示，霍曼轉移軌道是以太陽為其中一個焦點的橢圓軌道，與低軌道（地球軌道）和高軌道（火星軌道）都相交。


　　當地球運行到霍曼轉移軌道的近日點，飛行器啟動發射，加速離開低軌道；而當火星運行到霍曼轉移軌道的遠日點，飛行器啟動轉移，加速進入高軌道。


　　當然，飛行器必須在精確的時間窗口內發射，才能恰好在霍曼轉移軌道的遠日點和火星相遇，被火星引力捕獲。這就好像大范圍轉移傳球，需要預判隊友的跑位。合適的出腳機會，也是每26個月出現一次。


　　下一次紅色星球降臨霍曼遠日點的日期，是2021年2月11日。也就是說，這一批發射的探險勇士們，還要漂泊將近7個月。