航天器飞往行星的轨道

从理论上来说，从地球到达火星和太阳系其他行星的路线有很多种，但是航天专家考虑到时间成本、经济成本和技术限制，必须选择一条最佳轨道完成任务，而这条最佳轨道只有在地球与行星相对位置满足合适条件的时候才能实现，出现这个相对位置所对应的发射时间段被称为发射窗口。

由于地球和火星都在围绕太阳运转，两者的相对位置不断变化。当它们距离最近时，被称为相冲，即太阳、地球和火星同处于一条直线上。

出现相冲的时间间隔被称为会合周期，虽然还要考虑其他因素，但是人们认为会合周期就是发射窗口出现的周期。地球与火星的会合周期是26个月，因此探测火星的发射窗口每隔26个月才出现一次，是太阳系八大行星中机会最少的。由于水星与地球的会合周期最短，所以水星的发射窗口出现的机会最多，每隔116天就会出现一次。

我们知道，两点之间直线距离最短。要探测火星，应当把航天器直接送入火星才不会走弯路，但是这就要求发射用的运载火箭能够提供更大的推力并让探测器搭载火箭携带大量燃料供其消耗。不过，携带燃料越多，质量越重，对火箭推力的要求和发射成本就越高，所以我们应当选择一条消耗能量最少的路线，而不是距离最短的路线。1952年，科学家霍曼计算出一条发射行星探测器的最佳轨道，即外切于地球公转轨道同时内切于行星公转轨道的椭圆过渡轨道，又称霍曼轨道。对地外行星（火星、木星、土星、天王星、海王星）发射探测器多用这种轨道，而对地内行星（水星、金星）发射探测器则要用内切于地球公转轨道同时外切于行星公转轨道的霍曼轨道。

以火星为例，地球和火星在绕太阳运转的过程中，两者距离最大时可达4亿多千米，而最近时，即和太阳处在同一条直线上时，只有5500多万千米，相差3亿多千米。由于会合周期为780天即26个月，所以满足初始相位角为44°的时机每隔780天才来临一次。当然，由于轨道形状可在一定范围内改变，发射窗口可以持续几十天之久。航天器沿霍曼轨道飞向除地球以外的七大行星的最小速度及航行时间分别为：

由此可见，行星距离地球越远，要求航天器的速度越大、航行时间越长。

计算表明，航天器的初始速度只要增加一点儿，就可使飞行时间显著缩短。因此在实际发射航天器时并不一定都采用霍曼轨道，根据情况有时可用与目标行星轨道相交的大椭圆形轨道，飞往地外行星时也可采用抛物线轨道。

若要行星探测器从其他行星返回地球，也不是什么时间都可以。不僅要等待发射窗口，还要在发射时携带返回运载火箭。比如，飞往火星的探测器要想返航，就必须在飞到火星后，绕其运行，作为火星的卫星等待一段时间，直到火星运行到地球前面75。的时候，才能离开火星，飞回地球。这个等待时间长达450天，加上探测器往返火星花费的533天，来回共需983天。金星探测器需要在金星外围停留475天才能返回地球，所以来回金星一次共需782天。木星探测器在木星附近需停留215天才能返回地球，所以来回木星一次共需2223天。

如果是载人的航天任务，在发射航天器时除了要携带推力更大的返回运载火箭，还要为载人航天器选择较短的飞行路线。考虑到航天员吃饭等生活问题，飞船要携带足够的食品，于是整体重量就会增加，也因此需要限制食物的携带量。由于食物等各方面物资有限，所以航天员一般不会在被探测的行星停留太久，不会等待返回的发射窗口。所以，载人航天器基本上都是按照事先准备好的轨道方案及时返航，带回探测成果。

航天器的运行轨道，有点儿像汽车在马路上行驶的车道。但是显然太空中的这些轨道要比汽车车道复杂得多，需要科学家为此进行大量的计算和研究。不过，为了以后移民太空做准备，现在大家可要学会识别这些太空“交通线”呀！

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