火星是距离地球最近的太阳系行星之一，它最近的时候距离我们5500万公里，最远时则超过4亿公里。相比之下，地球与金星的距离则要近许多，最近的时候大约是3820万公里，最远时大约是2.5亿公里。

我们向其它星球发射航天器，当然是走的距离越少越好。有朋友说了，之所以大家都在2020年7月份发射探测器，是因为这时候地球距离火星最近。

啥时候去火星既快又省油？

果真是这样吗？为什么说这只答对了一半？我们今天就来分析分析。

火星之窗

2020年7月，地球人等来了一次“火星窗口”。阿联酋在美国的帮助下研制了“希望号”探测器，计划最早于7月中旬借由日本运载火箭抢先发射升空；紧接其后的是中国“天问一号”火星探测器，它将由长征五号运载火箭发射；7月底，美国的“火星2020”将启程前往火星。原本欧洲航天局也计划在这个月发射新的“ExoMars 2020”，受新冠疫情的影响被迫推迟，看样子欧洲人要把名字改成“ExoMars 2022”了，因为前往火星的发射窗口每两年多才打开一次，过了这个村就没这家店了。

为什么射一次火箭要等两年？随时发射不香吗？这其实是个科学问题。

火星之窗两年多才打开一次

我们知道火星与地球一样都是太阳系的行星，它们在万有引力的作用下围绕着太阳旋转。地球绕太阳转一圈的时间是365.256天，我们称为“一年”；火星距离太阳更远，它运行的速度更慢、跑的路程也更长，所以火星绕太阳转一圈需要687个地球日，也就是说火星上的一年差不多是我们的23个月。

地球与火星的轨道与最近距离

由于大家都在绕太阳运转，所以每次两颗星球最接近的时间大约间隔26个月。

那么，我们在地球与火星最接近的时候发射火箭，送探测器去火星，是不是最快呢？当然不是！地球和火星时刻都在运动中，航天器从地球飞往火星最近的距离也需要5500万公里，航天器飞行的速度是有限的，火星自然不会呆在原地等你。以地球与火星最接近的时间点作为发射窗口，无异于刻舟求剑。

射击选手在打运动目标时，要根据目标的运动规律设置一个“提前量”，他会瞄准目标将要到达的某个“点”，这样当子弹飞到时，会正好与目标相遇。科学家也需要根据天体的运动规律以及航天器自身的情况来计算发射时间，以确保航天器到达火星轨道时能刚好遇到火星并且被火星捕获。

这个发射时间就是火星的发射窗口。

火星的发射需要“打提前量”

确定火星的发射窗口需要考虑哪些因素呢？

首先，科学家需要精确计算地球与火星的运行轨道。地球绕太阳运行的轨道近似于圆，地球轨道偏心率为0.0167；相比之下，火星的轨道偏心率达0.0934，它更加椭圆；并且火星的轨道倾角与地球的黄道面还存在1.85°的夹角，因此计算地球与火星之间的相对运动更加复杂繁琐。

火星与地球轨道面不同，航天器飞行轨道也要相应调整

其次，地球运行的切线速度比火星要快，平均而言，地球的轨道速度是29.78公里/秒，而火星平均只有24公里/秒。地球比火星更快，它会将这个速度赋予航天器，因此航天器需要提前发射去“追”火星，而如果当地球与火星距离最近时再发射，航天器就飞过头了。

第三，在太阳系中，地球的轨道比火星低，它更接近太阳，一个航天器想要从地球飞到火星，它首先需要摆脱地球的引力，其次还需要克服太阳的引力，所以运载火箭赋予航天器的初速度Δ-v既要保证它能飞离地球，又要刚好被火星的引力捕捉，这需要经过极精确的计算，然后通过运载火箭来实现。

最后，人类总是希望将最大的航天器送到太空去完成更多的科学探测任务，但火箭的运载能力是有限的，为了保证航天器得到足够的初速度，探测器的重量会受到限制。当然，我们也可以利用地球重力阱的跟随效应来一点点加速，用时间换取更快的速度，以实现“小马拉大车”，这意味着火箭的发射时间进一步提前，阿联酋的“希望号”探测器应该就是这样一个例子。

火箭推力不够就只能提前发射兜圈子加速

举个例子

2018年5月5日，694千克重的美国“洞察号”火星探测器迎来了火星发射窗口，它由Atlas-V运载火箭发射升空，13分16秒后进入转移轨道，93分钟后探测器正式进入火星巡航轨道。

在经历6.5个月的长途飞行、穿越了4.84亿公里后，“洞察号”终于抵达火星并成功着陆。

“洞察号”的飞行轨迹

从“洞察号”的火星之旅我们可以看出：由于探测器本身的质量不是很大，因此强大的Atlas-V运载火箭可以赋予它高达32.5公里/秒的初速度Δ-v，即便如此航天器也飞行了6个半月的时间。在近5亿公里的漫长飞行中，由于太阳引力的作用，航天器的Δ-v不断下降，当它到达火星轨道时仅有22.9公里/秒，这个速度可以很顺利地被火星引力捕捉。

回顾

航天发射是一门科学，当我们计划向火星发射探测器时需要考虑许多方面：地球与火星的轨道参数以及相对位置、地球能够赋予航天器的初速度以及航天器到达火星时的Δ-v、运载火箭的发射能力等等。

综合以上所有的因素，科学家们会计算出精确的发射时间，这便是航天器的发射窗口。

发射窗口都选择在最近距离之前的几个月

每隔大约780天，地球与火星会达到最近距离，由于地球轨道速度更快，向火星的发射窗口会选择在两星交会之前的几个月，这样航天器才能靠“打提前量”准确进入火星轨道并被火星捕获。

大家之所以选择在2020年7月中下旬向火星发射探测器，正是因为火星与地球的距离正在拉近，这使得航天器可以用最少的燃料和最短的时间飞抵火星。

你明白了吗？