天问一号以什么样速度飞往火星？

简单的说，火星最近时距离地球约6000万公里左右，最远时距离地球约4亿公里。一般来说，火星探测器发射是在火星距离地球比较近的窗口发射，今年是地火相冲年，也就是有一次比较近的窗口，最近时距离地球只有6300万公里。

2020年7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭（昵称“胖五”）文昌航天发射场点火升空，将中国首次火星探测任务的“天问一号”探测器送入轨道，开启了中国深空之旅的首航。那么这次“天问一号”的征程有多长呢？请听时空通讯细细道来。

航天发射必须遵循的最基本常识就是：三个宇宙速度。

这三个宇宙速度是：第一宇宙速度为7.9km/s，叫环绕速度。达到这个速度，航天器就不会被地球引力拽下来，也脱离不了地球引力，现在的所有人造卫星、空间站等地球轨道航天器，都是遵循这个发射速度；

第二宇宙速度为11.2km/s，叫脱离速度。达到这个速度就可以脱离地球引力，飞往别的行星，如火星探测器发射必须达到这个速度；

第三宇宙速度为16.7km/s，是在地球轨道脱离太阳引力的速度，又叫逃逸速度，与本文没多大关系，这里就不多扯了。

从三个宇宙速度来看，到火星每秒必须达到11.2公里的速度。如果是在地火相冲的最近发射窗口发射，其距离充其量有7000万公里，这样我们按照每秒至少11.2公里的速度，就可以算出到达火星的时间为：70000000/11.2/3600/24≈72天。

因此只要飞72天多点，也就是两个多月的时间就到了。可航天局发言人刘彤杰宣称，天问一号地火转移飞行约需6.5个月，也就是约200天左右才能到达，这又是为什么呢？

原来飞火星并不是直来直去那么简单。

我们知道，太阳系所有行星都在自己的轨道围绕着太阳公转，这些轨道都是一个个环状。如果从靠太阳最近的水星算起为1环，那么金星就是二环，地球就是三环，火星就是四环，然后是木星、土星、天王星、海王星，类推为五六七八环。

由此我们可以看出地球与金星和火星是左右邻居，是靠得最近的两个星球。但地球和火星两个星球在自己轨道上以不同的线速度公转，地球公转线速度为29.8km/s，火星公转线速度为24.32km/s，这样两颗行星就不会老在相同的距离。

人们把行星运行到太阳同一侧靠得最近的时候就叫“冲”，各自在太阳不同的侧面最远时，就叫“合”。地球和火星相冲时，一般在6000万公里左右，相合最远时约4亿公里左右。

计算行星相冲间隔时间公式为：1/S=1/E-1/T。

式中，E是地球的公转周期，T是行星轨道周期，S是地球与这颗行星的会合周期。这个公式可以计算地球与各大行星的相冲时间间隔。代入地球和火星公转周期：E（地球）=365.25天，T(火星）=686.98天，可求出地球和火星相冲时间间隔为：S=779.93天。

因此发射火星探测器，最节省燃料旅途最短的就是地火相冲的年份。今年就是相冲年，地火最近距离时为6300万公里。但这并不等于发射的航天器只要飞行6300万公里就能够到达火星，因为地球在走，火星也在走，而且还要本着节省燃料的原则走最佳路线。

航天发射遵循的最重要原则是节省燃料。

这是因为迄今为止，人类发射航天器除了把航天器送上天，就再也带不了更多的燃料。

由于脱离地球引力需要巨大能量消耗，而且这种消耗主要用在火箭自身质量和燃料消耗质量上，真正的有效载荷占比重很小。比如上世纪美国发射登月飞船采用土星五号火箭，起飞重量达到3038.5吨，进入月球轨道的有效载荷才有45吨，也就是说85%以上的重量都是用于发射。

而我国发射“天问一号”用的长征五号遥四运载火箭（昵称“胖五”），发射重量达到870吨左右，而进入火星转移轨道的“天问一号”只有5吨左右，其中载荷的90%以上都是用于火箭本体和燃料。只有5吨的“天问一号”还能够携带多少燃料？

发射进入轨道的航天器如果要携带更多的燃料，火箭说携带的发射燃料就需要更多，这样起飞重量就成指数级增加，这就是一个极大的矛盾。所以深空探测器的发射最重要的就是本着最节省燃料的原则。

由此，探测器就不能完全依靠自身携带的燃料来提速和减速，而是要充分利用天体引力弹弓效应，并且要选择一个节省原料的最佳路线。

飞往火星探测器一般采用的都是霍曼转移轨道方式。

目前飞往火星有三种路线方式，即霍曼转移轨道、快速合点航行和冲点航行。快速合点航行行程似乎是最短的，也是燃料消耗最大的，一般很少采用；冲点航行是发射的航天器围绕着太阳转了一个圈，看起来当火星到达地球的冲点最近时会合着陆，但其实航程并不短；现在一般采用的是最节省燃料的霍曼转移轨道，但这种航程都在4亿公里以上。

在太空动力学中，霍曼转移轨道是一种变换太空船轨道的方法，途中只需要两次引擎推进，将航天器从低轨道送往高轨道，到达霍曼转移轨道。这样探测器就由椭圆轨道的近拱点抵达远拱点，再瞬间加速，进入火星目标轨道。

实际上霍曼转移不但可以升高轨道，也可以降低轨道。当探测器到达火星被火星引力捕获后，就可以通过霍曼转移降低轨道，到达理想的绕火星轨道。这种转移是通过减速实现的。

霍曼转移遵循的原理见下图。

这样实际上飞往火星的时间和航程就大大延长了。

我国发射的天问一号采用的大概就是霍曼转移方式，其行程与2018年NASA发射的洞察号火星探测器差不多，费时也差不多。洞察号于2018年5月5日发射，11月26日到达，用时206天，行程4.85亿公里，平均时速为9.8万公里，秒速达到27公里。

因此看起来，深空探测器的发射远远不是达到第二宇宙速度那么简单，而是超过了第三宇宙速度了。也就是说，前往火星的探测器飞行速度最低要达到11.2km/s，而实际上在征途中远远不止这个速度。

那为什么这些探测器没有飞出太阳系去呢？这就是深空探测器在发射和管理过程中，需要娴熟掌握加速和减速技术了。而霍曼轨道转移技术的控制就是非常重要的一项技术，而且还要利用引力弹弓效应。

火星可不比月球，行程距离是月球的近1000倍，导航和精准控制技术要求很高，提升轨道和降低轨道拱点要把握精确，稍有差池，探测器就会不知所踪或撞毁。这也是一些国家发射了很多火星探测器无一成功的原因，实际上我国第一艘火星探测器“萤火”号就是因搭载的俄罗斯探测器失败而失败的。

在此祝愿天问一号按时到达目标。欢迎讨论，感谢阅读。

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