去往火星的旅行真的是每兩年才能有一次嗎？

旅行并不是說只能每兩年一次，但那時候的條件要好得多，基本上人們是不考慮其他時間的。

現(xiàn)在存在著不同類型的地球-火星任務軌道，我們并不是在地火接近時才開始發(fā)射，這牽涉多種因素，包括宇宙飛船是否會返航、是否有來自金星的引力協(xié)助以及運載火箭的運行能力等。然而，對于典型的單程任務，如把探測器或探測車送往火星，我們確實是在火星和地球相當接近的時候發(fā)射的。

火星和地球處于相對位置時距離最近，然而我們實際上不想在這個時間點發(fā)射，我們想在這之前發(fā)射。

圖解：地球與火星處于相對位置（圖源：NASA）

為了使用最少的燃料，我們想使用最小的能量轉移軌道，霍曼轉移軌道（Hohmann transfer orbit，HTO）做到了這一點。我們的宇宙飛船從地球軌道出發(fā)，在霍曼轉移軌道的近拱點通過燃燒加速進入橢圓形轉移軌道，抵達遠拱點后再加速進入另一個軌道，最終使宇宙飛船轉移到火星軌道上，最后在軌道上剛好形成180度。

所以，我們的目標在于確定發(fā)射的時間，這樣當飛船到達目的點時火星也處于相同的位置。與地球相比，火星的軌道更大，移動相同角度的距離需要更多的時間，這意味著當我們發(fā)射宇宙飛船時，火星的位置需要處于地球之前。

我們計算我們的宇宙飛船所處軌道的周期，大約是520天。我們的宇宙飛船將運行半個軌道，這大約需要260天?；鹦堑墓D周期是687天，在260天里火星移動的角度為136度。這意味著發(fā)射宇宙飛船的最佳時間是——當我們發(fā)射宇宙飛船時，火星應在地球之前，且與地球的夾角為44度(180-136度)。這也就是說我們需要在火星和地球最接近的三個月之前發(fā)射宇宙飛船。

圖解：到火星的霍爾曼轉移軌道，地球、火星和宇宙飛船均為逆時針方向運行（圖源：NASA、Forbes）

這里有一個表格，顯示了火星任務的樣本數(shù)字。

（圖源：mydarksky）

去火星的旅行真的只能每兩年一次嗎？如果確實如此，那是為什么呢？

另一位回答道：

我在本科一年級寫了一篇關于這類事情的文章，所以我主要使用研究得到的數(shù)據(jù)并從中推算出結果。

并不是說每兩年我們才能發(fā)射一次，而是說，要想使用霍曼轉移軌道，只能每兩年一次。它是從第一個軌道開始，通過兩次加速變化，最終使物體到達與出發(fā)點相差180度角的目標軌道。這就是事情的關鍵。你需要知道，通過使用霍曼軌道，從出發(fā)點，到最終抵達火星的位置，就會剛好處于太陽的另一邊，也就是出發(fā)點的正對面。當然，這里也有其它軌道可以到達火星，但它們更為復雜。使用霍曼轉移軌道只需要兩次燃燒加速，一次是為了離開第一個軌道，一次是為了到達第二個軌道，這最主要優(yōu)點之一是節(jié)約能源，并且也是最高效的太空旅行方式之一。

計算時間和角度:

正如羅伯特·弗洛斯特所指出的，通過這種方法從地球到火星的時間大約為260天，地球需要在軌道上處于火星之后且與其夾角為44度。要解決這個問題，你只需要使用開普勒第三定律（Kepler’s 3rd law）來計算航天器從地球到火星的軌道。

如果你取軌道半長軸（a），半長軸的立方將和軌道周期的平方成比例。

開普勒第三定律：T^2=k(a^3)

如果我們使用一年的時間值和一個天文單位(AU)的距離值，我們可以把k=1代入到上面的方程中得到:

開普勒第三定律：T^2=a^3 (將年和AU看作一個整體單位)

從地球到火星的霍曼轉移軌道，其半長軸是地球繞太陽公轉的軌道半徑和火星繞太陽公轉的軌道半徑的和的一半。地球軌道半徑為1AU，火星的軌道半徑為1.524AU，所以霍曼轉移軌道的半長軸為(1.524+1)/2=1.262AU，把這個值代入第二個方程，得到T=1.42(年)，這是整個霍曼軌道的運行時間，而要到達軌道最遠的焦點即到達火星運行軌道，只需要該時間的一半，即0.71年，也就是259天。

至于這個44度角，火星軌道周期為1.88年，而通過前面的計算我們可以知道飛船從地球出發(fā)到達火星的時間是0.71年，該時間占火星軌道總周期的37.8%。這就意味著，在這0.71年里，火星運行的角度為37.8%*360=136度。我們之前也提到過，飛船出發(fā)，最后到達太陽的另一邊，即與到達點與出發(fā)點相距180度，這就意味著當航天器離開地球時，火星必須在地球之前且與其夾角為44度，才能形成完美的霍曼轉移軌道。

圖1-顯示了霍曼轉移軌道將飛船轉移到火星的情況。可以看出，火星在軌道上與達到點的角度為136度，而地球與到達點的角度為180度。

但這里存在一個問題就是，火星和地球都被當做是在完美的圓形軌道上運行，但事實并非如此。

改善的方法:

問題是，雖然地球的軌道非常接近一個完美的圓，但火星的軌道的圓并不正，且偏心率更大。

圖2-顯示了火星軌道的偏心率和不同區(qū)域的運行時間。

從太陽到火星的距離在1.38AU到1.67AU之間，相差了0.29AU，超過了地球到太陽距離的四分之一，這個數(shù)字并不小。這意味著發(fā)射時的時間角度會根據(jù)火星在軌道上所處位置不同而有很大變化。作為參考，地球的軌道變化大約在0.98AU到1.02AU之間，相比而言小很多！

所以代入開普勒第三定律的數(shù)據(jù)是需要隨著時間而變化的，而結果也不是一定為259天和44度，這兩個數(shù)只是平均值。

我在論文中計算了在未來30年左右霍曼軌道可能成功運行的時間，沒有在模擬中過多考慮其他細節(jié)，但考慮了軌道大小的變化并把它們用圖表表示出來。

希望你能看到這些圖，但最上面的那張圖顯示了從現(xiàn)在到2042年的每一天的火星方位（橙色線）和其中霍曼軌道可能成功運行的時間（藍色線）。

左下角顯示的是飛船到達點和出發(fā)時火星位置之間的角度差（平均136度）。

左下角顯示的是飛船從地球到火星所需的時間（平均259天）。

下面兩個張圖上的每一個點都是完美的霍曼軌道，所以我們可以清楚地看到，目前我們正在為地球到火星的短距離飛行留下一個非常好的窗口期，直到2030年我們才能再次發(fā)射。

下表是用來繪制這些圖表的數(shù)據(jù)，只留下了霍曼軌道可能成功運行的時間。

這些數(shù)據(jù)都是以地球和火星的固定參考點為基準。如果你把注意力放在最左邊的日期欄，你會發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，每隔兩年就有一次霍曼軌道可能成功運行的最佳發(fā)射日期。

總結

所以沒錯，要想到達火星，如果使用霍曼轉移軌道，我們確實只能每2年發(fā)射一次，但是其他的太空旅行方法也是可以的?；仡檲D1，如果要形成一個比火星軌道更大的霍曼轉移軌道，該軌道依然會經(jīng)過火星軌道，只不過它與火星軌道的交點就不再是上述與出發(fā)點相隔180度的地方了，這意味著只要做出相應的調整，我們其實可以在任意時間轉移軌道。霍曼轉移軌道的優(yōu)點在于航天器在每條軌道上的速度變化很小，計算非常簡單，而在其它轉移軌道上，所需能量更多，計算也更為復雜。