最近火星發(fā)射檔期有點(diǎn)滿。阿聯(lián)酋的“希望”最先啟程，中國(guó)緊跟著發(fā)出“天問(wèn)”，美國(guó)則把“毅力”留到了7月底。要不是疫情耽擱了，歐空局和俄羅斯合作的“羅莎琳德·富蘭克林”原本也會(huì)湊這個(gè)熱鬧。

為什么去火星要扎堆？原來(lái)，2020年7月下旬至8月上旬是本輪的火星發(fā)射窗口，錯(cuò)過(guò)了這段時(shí)間，那就要像歐空局一樣等到26個(gè)月之后了。

火星發(fā)射窗口與火星、地球、太陽(yáng)的相對(duì)位置有關(guān)。要掌握出這些天體的“謎之走位”，我們才能找到一條省時(shí)又省油的最佳路線。

地火最近

眾所周知，太陽(yáng)系現(xiàn)在有八大行星，從里往外，地球排老三，火星排老四，是個(gè)塊頭比地球小的紅色鄰居。

根據(jù)向心力公式和引力公式，我們可以得出越外圈的行星角速度越小。因此，火星繞著太陽(yáng)跑圈要比地球慢上一拍，公轉(zhuǎn)周期約為687個(gè)地球日。地球有時(shí)候在追趕火星，有時(shí)候又在遠(yuǎn)離火星，大約每26個(gè)月會(huì)相遇一次。地火距離最近時(shí)5600萬(wàn)公里，最遠(yuǎn)達(dá)到4億公里。以地球視角，在地球“超車”火星的那段時(shí)間，火星會(huì)短暫出現(xiàn)“逆行”。

正因如此，火星在中國(guó)古稱“熒惑”：顏色熒熒似火，行蹤令人迷惑。插句題外話，由順行轉(zhuǎn)逆行/由逆行轉(zhuǎn)順行的那段時(shí)間，火星會(huì)在視覺上呈現(xiàn)出短暫的停留。如果停留的位置正好是心宿（天蝎座），就是古人認(rèn)為大兇的星象“熒惑守心”。

言歸正傳。要找出火星發(fā)射窗口，我們直觀上的第一考慮是火星和地球之間距離最近的時(shí)刻，即“地火最近”。

每隔大約26個(gè)月，地球會(huì)行進(jìn)到太陽(yáng)和火星之間，連成一條直線，稱作“火星沖日”。在這段時(shí)間，每當(dāng)太陽(yáng)剛從西邊落下，火星就從東邊升起。而每當(dāng)太陽(yáng)從東邊升起，火星又恰好從西邊落下，因此整夜可見。并且，此時(shí)火星在夜空中十分明亮，是觀賞火星的最好機(jī)會(huì)。

如果行星軌道是個(gè)正圓，那日地火三點(diǎn)一線時(shí)，顯然也正好是地火最近。但在現(xiàn)實(shí)中，地球和火星的軌道都是橢圓形，且火星的軌道比地球還要略扁平一些。因此，“火星沖日”和地火最近并不一定重疊。

“地火最近”與“火星沖日” 來(lái)源：NASA 下同

從上圖就可以看到，2016年5月22日發(fā)生火星沖日，但5月30日才是地火最近。

大約每隔15到17年，火星沖日會(huì)發(fā)生在火星近日點(diǎn)附近，稱作“火星大沖”。此時(shí)，地火距離也會(huì)格外地近。由于地球軌道和火星軌道并不完全處于同一平面上，且受到其他天體的引力影響不斷微調(diào)，“火星大沖”時(shí)的地火距離也非固定。

火星軌道和地球軌道不在一個(gè)平面

上兩次火星大沖發(fā)生在2018年7月和2003年8月。2003年的那次火星大沖，地火距離縮到了約5576萬(wàn)公里，為近6萬(wàn)年來(lái)最短！

省油軌道

那么，我們是不是該在地火最近的時(shí)候發(fā)射火星探測(cè)器呢？其實(shí)并不是。除了時(shí)間成本，科學(xué)家和工程師們還要考慮重要的燃料成本。

火星探測(cè)器并非直線撲向火星，在地球引力和發(fā)射動(dòng)力的雙重影響下，它以一道曲線進(jìn)入太空，點(diǎn)火進(jìn)入一個(gè)軌道，隨后熄火進(jìn)入慣性滑行，等待火星來(lái)到之后，再點(diǎn)火推進(jìn)。

這中間的路線設(shè)計(jì)可以有多條，但最省燃料的一種就是“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”。通過(guò)這種方式，飛行器可以關(guān)閉引擎滑行最長(zhǎng)的距離。

如下圖所示，霍曼轉(zhuǎn)移軌道是以太陽(yáng)為其中一個(gè)焦點(diǎn)的橢圓軌道，與低軌道（地球軌道）和高軌道（火星軌道）都相交。

當(dāng)?shù)厍蜻\(yùn)行到霍曼轉(zhuǎn)移軌道的近日點(diǎn)，飛行器啟動(dòng)發(fā)射，加速離開低軌道；而當(dāng)火星運(yùn)行到霍曼轉(zhuǎn)移軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)，飛行器啟動(dòng)轉(zhuǎn)移，加速進(jìn)入高軌道。

當(dāng)然，飛行器必須在精確的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)射，才能恰好在霍曼轉(zhuǎn)移軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)和火星相遇，被火星引力捕獲。這就好像大范圍轉(zhuǎn)移傳球，需要預(yù)判隊(duì)友的跑位。合適的出腳機(jī)會(huì)，也是每26個(gè)月出現(xiàn)一次。

下一次紅色星球降臨霍曼遠(yuǎn)日點(diǎn)的日期，是2021年2月11日。也就是說(shuō)，這一批發(fā)射的探險(xiǎn)勇士們，還要漂泊將近7個(gè)月。