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天问一号以什么样速率飞往火星?

简朴的说,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。一样平常来说,火星探测器发射是在火星距离地球对照近的窗口发射,今年是地火相冲年,也就是有一次对照近的窗口,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”)文昌航天发射场焚烧升空,将中国首次火星探测义务的“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。

航天发射必须遵照的最基本知识就是:三个宇宙速率。这三个宇宙速率是:第一宇宙速率为7.9km/s,叫围绕速率。到达这个速率,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,都是遵照这个发射速率;

第二宇宙速率为11.2km/s,叫脱离速率。到达这个速率就可以脱离地球引力,飞往其余行星,如火星探测器发射必须到达这个速率;

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

从三个宇宙速率来看,到火星每秒必须到达11.2公里的速率。若是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,这样我们根据每秒至少11.2公里的速率,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。可航天局谈话人刘彤杰宣称,天问一号地火转移航行约需6.5个月,也就是约200天左右才气到达,这又是为什么呢?

原来飞火星并不是直来直去那么简朴。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。若是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人,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差其余线速率公转,地球公转线速率为29.8km/s,火星公转线速率为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统一侧靠得最近的时刻就叫“冲”,各自在太阳差其余侧面最远时,就叫“合”。地球和火星相冲时,一样平常在6000万公里左右,相合最远时约4亿公里左右。

盘算行星相冲距离时间公式为:1/S=1/E-1/T。

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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齐集周期。这个公式可以盘算地球与各大行星的相冲时间距离。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距离为:S=779.93天。

因此发射火星探测器,最节约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。但这并不即是发射的航天器只要航行6300万公里就能够到达火星,由于地球在走,火星也在走,而且还要本着节约燃料的原则走最佳蹊径。

航天发射遵照的最主要原则是节约燃料。这是由于迄今为止,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伟大能量消耗,而且这种消耗主要用在火箭自身质量和燃料消耗质量上,真正的有用载荷占比重很小。好比上世纪美国发射登月飞船接纳土星五号火箭,腾飞重量到达3038.5吨,进入月球轨道的有用载荷才有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”),发射重量到达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”还能够携带若干燃料?

发射进入轨道的航天器若是要携带更多的燃料,火箭说携带的发射燃料就需要更多,这样腾飞重量就成指数级增添,这就是一个极大的矛盾。以是深空探测器的发射最主要的就是本着最节约燃料的原则。

由此,探测器就不能完全依赖自身携带的燃料来提速和减速,而是要充实行使天体引力弹弓效应,而且要选择一个节约质料的最佳蹊径。

飞往火星探测器一样平常接纳的都是霍曼转移轨道方式。现在飞往火星有三种蹊径方式,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,一样平常很少接纳;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齐集着陆,但实在航程并不短;现在一样平常接纳的是最节约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式,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,进入火星目的轨道。

现实上霍曼转移不只可以升高轨道,也可以降低轨道。当探测器到达火星被火星引力捕捉后,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。

霍曼转移遵照的原理见下图。

这样现实上飞往火星的时间和航程就大大延伸了。我国发射的天问一号接纳的也许就是霍曼转移方式,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,秒速到达27公里。

因此看起来,深空探测器的发射远远不是到达第二宇宙速率那么简朴,而是跨越了第三宇宙速率了。也就是说,前往火星的探测器航行速率最低要到达11.2km/s,而现实上在征途中远远不止这个速率。

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治理历程中,需要娴熟掌握加速和减速手艺了。而霍曼轨道转移手艺的控制就是异常主要的一项手艺,而且还要行使引力弹弓效应。

火星可不比月球,行程距离是月球的近1000倍,导航和精准控制手艺要求很高,提升轨道和降低轨道拱点要掌握准确,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许多火星探测器无一乐成的缘故原由,现实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。

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