北京中科医院在哪里 https://jbk.39.net/yiyuanzaixian/bjzkbdfyy/etbdf/今年7月23日，“天问一号”火星探测器在海南文昌点火发射，承载着我国深空探测的首颗探测器将在浩瀚的宇宙空间中航行6个多月的时间，预计于明年2月份抵达火星轨道，届时探测器将继续环绕火星运行2个多月的时间，一方面通过环绕监测火星基本情况，包括整体的地形地貌、磁场、太阳风等，另外还要对火星地表进行深入探测，以寻找合适的火星车降落地点和时机。如果按照火星和地球最近的距离万公里计算，“天问一号”的飞行速度，似乎平均只有3.5公里每秒，这个速度远低于地球的第一宇宙速度，为何还能飞到火星呢？第一宇宙速度和第二宇宙速度第一宇宙速度又叫环绕速度，它指的是一个物体在星体表面，能够围绕星体做环绕运行所需要的最小速度。这个速度，早在牛顿发现万有引力定律之后就已经通过理论推导计算出来了，其表达式为V1＝√（GM/r），其中G为万有引力常数、M为星体质量、r为物体与星体质心的距离。从立体空间的角度，我们可以看出，当一个物体围绕星体运行时，如果其受到的万有引力完全充当了环绕运行的向心力，那么这个物体沿着轨道切向运行，所拉大的与星体质心的距离，将与物体在万有引力作用下向质心坠落的距离相抵消，从而在空间上表现出稳定的环绕运行状态，在星体表面曲率的影响下，永远也坠落不到星体的表面。如果物体的环绕线速度持续加大，那么它运行时与星体质心的距离也会不断增加，当达到一定程度后，就会使得物体运行轨道变为不封闭的抛物线，这个时候物体就会表现出脱离了星体的引力束缚，所以这个时候的最小速度也被称为逃逸速度，其表达式为V2＝√（2GM/r）。在理论上，我们从地球上发射人造卫星，其要达到的线速度必须要满足地球的第一宇宙速度，即7.9公里每秒；如果要向其它行星发射探测器，则要达到的线速度必须要满足地球的第二宇宙速度，即11.2公里每秒。节省燃料的必要性和重要性由于火星和地球都属于太阳的行星，虽然轨道相邻，但是由于和太阳的距离有一定的差异，所以在各自的轨道上公转线速度也有一定差异，其中地球公转速度30公里每秒，火星24公里每秒，火地之间的距离也是时刻处于不断变化之中，最近距离为万公里左右，最远可达到4亿公里。由于地球和火星的轨道是椭圆形的，它们之间最近的距离要间隔16年左右循环一次，这是“地火大冲年”，在两个大冲年的间隔期内，又会有若干小冲年，平均间隔在2年多一点。因此目前发射火星探测器，需要选择这样的“地火相冲”年（大冲年或者小冲年）择机进行，以确保以最短的时间、最低的成本完成探测任务。比如今年就是一个“小冲年”，地火之间的最短距离大约为万公里。虽然理论上火箭发射以后，随着燃料的持续供给，其飞行速度就会一直增加，这样就可以给火箭规划一个最短的路线，然而，在实际操作中，由于火箭的有效载荷仅有以探测器为主体的极小一部分，探测器与火箭本体脱离的时间越长，那么所需要的燃料就会越多，那么无效的能源消耗率将越大，所以为了尽可能地减少因携带过多燃料、以及推进大质量火箭本体带来的无效负荷，所有火箭发射都是尽可能缩短探测器与火箭分离时间，也就是说尽快地使探测器进入预定轨道并达到相应逃逸速度。当探测器分离后，就可以应用惯性、引力弹弓效应等进一步减少燃料消耗，探测器有效的燃料加载，将留在推动探测器几次关键的变轨上面，“好钢用在刀刃上”。否则，如果燃料供应不上去，即使火箭发射成功，在后续的探测器飞行过程中，又会有脱离预定轨道或者坠毁的风险。“天问一号”的飞行轨迹在刚才的分析中，无论是大冲年还是小冲年，我们在计算火星和地球的距离时，采取的都是二者的直线距离。而在探测器跟随着火箭从地球发射，然后再到一定的轨道处与火箭分离时依靠惯性飞行，它所经历的路线肯定不是直线，而是一种弧线或者抛物线。从目前来看，将探测器从地球发射到火星，主要有三条航线：第一条是冲点航线，也就是探测器不是直接飞行火星，而是先向太阳飞行，利用太阳的引力弹弓效应，给探测器提供超强的动力。然后进行适当的姿态调整，即可再反方向朝着火星行进。这种方式的优点是速度最快、所需时间最短，缺点也非常明显，即行进路线最长、经过的星际空间环境最复杂、不可控因素最多、难度最大。第二条是快速合点航线，主要是利用燃料“硬驱动”的方式，在探测器飞行途中持续供应燃料，推动探测器也持续改变航线，从而获得最佳的捷径。它的优点是路程最近、所需时间较少、安全性也较高，但致命的缺点就是耗费燃料量太大，经济性最差，通常不被科学家们所选择。第三条是霍曼转移轨道航线，这是一条首尾分别与地球和火星相切的巨大椭圆形轨道，在探测器运行过程中，只需要两次较大规模的变轨操作，其中一次是推动探测器从地球低轨升至高轨的转移轨道，第二次是到达火星轨道之后，通过转移轨道降速行进到绕火星运行的低轨道。这个航线的优点是最节省燃料，同时飞行的难度最低，成功率最高，唯一的缺点是所需的时间最长。“天问一号”采用的正是上述第三种方案，也是最常用的霍曼转移轨道航线，由于发射时机是火地相合（距离最远）时，这个时期探测器除了通过燃料推进之外，还会有一部分的地球公转线速度的加持。所以它在摆脱地球引力时的速度可以达到30公里每秒，而通过这种转移轨道的航线，探测器所行经的总路程要达到近5亿公里之遥，所以换算下来，“天问一号”从地球到达火星的总时长，也得需要天左右，这就是为何需要经过这么长时间到达的原因。
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