火星轨道选择与霍曼轨道的关系

火星是地球轨道外最靠近地球的一颗行星，也是我们地球家园的“好邻居”。火星自身的不少特征也与地球极为相似，所以很多人认为，火星的现在就是地球的未来，开展火星的探测和研究，对于认识人类居住的地球环境，特别是认识地球的长期演化过程，是十分重要的一项工作。

其实，我们人类对火星的探测在20世纪60年代就开始了。

火星探测技术很复杂，难度也大，这些年的研究道路曲曲折折，极不平坦。我们不妨这样理解，从一个地方去另一个地方，需要的先决条件是什么？是路径！而从地球去火星要经历遥远而漫长的宇宙旅程，其中连接两个星球的通道就变得更加重要了。这条通道就是火星轨道。

那么，要选择什么样的火星轨道才能开辟人类的火星之路呢？

这是一个相当复杂的规划，要经过无数次精密的设计研究。

我们所说的火星之路并非直来直去的路，而是靠着天体之间的引力作用形成的椭圆形轨道。所以，当人类发射火星探测器的时候，必须沿着火星轨道顺势而行，探测器才能准确地降落在火星表面，否则就会失败。

地球是太阳系里与太阳距离由近到远排名第三的行星，而火星则排名第四。但地球到火星的距离是变化的，两者最近时约5 500万千米，最远时约4亿千米，相差好几倍。由此可见，从地球到火星所需要的时间长短，与人类发射飞行器时地球与火星的距离点有关。从现代地球科技的发展来说，航空运载火箭（飞行器）还没办法从地球直接飞往火星，而是从地球出发，沿着既定的轨道飞行，先到达火星与地球距离的最远点，再进入火星轨道遇上火星，整个过程大约需要259天。

如果把地球和火星环绕太阳公转的轨道简化成一大一小两条圆形轨道，那么飞行器从地球前往火星，就相当于从地球这条较低的轨道转移到火星那条较高的轨道上去。这样的椭圆形轨道被称为霍曼轨道，也叫双切轨道。其主要过程是：首先在低轨道上瞬时加速，让飞行器沿着一条椭圆形轨道逐渐升高，直到绕过半圈之后抵达较高的轨道，再次瞬时加速进入这条轨道。从理论上说，这是目前最省力也最省时的办法。

可事实上，真正的轨道规划要复杂得太多。(www.xing528.com)

除太阳外，地球、火星和其他行星的引力也会对航天飞行器施加不同程度的影响；甚至阳光照射在航天器上面，因此产生的微弱光压也是必须考虑在内的因素之一。那是因为，即使很微弱的压力，如果持之以恒，也会产生显著的影响，从而改变航天器的轨道。最重要的是，我们大家都知道，地球和火星绕太阳公转的轨道都不是圆形轨道，而是不同程度的椭圆形轨道，这无疑会让地球飞行器进入火星的轨道变得更加复杂。

目前，从我们人类掌握的航空航天技术来看，大约要两年时间才能到达火星。实际飞行路线大致如下：一个长椭圆形轨道，太阳、地球、火星三者在固定的位置点。然后，运载火箭以稍高于第二宇宙速度的速度，从地球发射出去，从而进入轨道，再依照前面所讲的双切轨道飞行方式，抵达火星表面。

不过，航天器想要运行到太空中比较遥远的地方，就需要选择比较节省燃料和推力的方式在太空中运行。航天器发射成功之后在地球附近先加速，从而进入指定的轨道，当接近火星时，速度再减慢。所以，航天器最佳的发射时间为当它到达双切轨道的远日点时，火星正好在等待它的到来。而这样的时间点26个月才有一次。

对近地轨道飞行器来说，由火箭发射进入相应的轨道，这样可以节省大量的燃料，而航天器也会在相应的轨道上很好地执行任务。当卫星到达指定的太空中，目标也正好处于光照条件下，这样才会有高质量的观测数据。

目前，去火星的计划只有美国国家航空和宇航局有能力进行，美国国家航空和宇航局也正在积极推进载人登陆火星的任务。不得不说，载人航天器飞往火星具有相当大的难度，主要涉及如何选择轨道，因为这关系到火星任务需要携带多少补给物品。不过，米兰理工大学的科学家弗朗西斯科与美国国家航空和宇航局的专家爱德华通过数学计算发现了一条前往火星的捷径：先将探测器部署在类火星轨道上，再通过火星的引力将其减速并成为火星的卫星。

这个理论如果用于载人探索火星，在时间上会增加几个月，使得原本500天左右的任务期被延长100多天。但相应地，科学家们能够从中获得更简单的火星轨道设计以及更便捷的探索火星途径。美国国家航空和宇航局行星科学部的科学家詹姆斯·格林认为，这种弹道式的轨道设计是一个非常有想象力的轨道设计，能够开启更多的火星任务，向火星派遣更多的探测器，甚至在载人登陆火星时也能够用到。

现阶段，我们使用火箭前往火星，必须进入双切轨道运行，而新理论、新方法的特点在于不需要使用复杂的火星轨道，也不需要进行点火减速，这就大大简化了前往火星的复杂性，为今后探索火星提供了一种新的可能。