版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們

在古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得所著的《幾何原本》之中記載著這樣一個(gè)公理：兩點(diǎn)之間線段最短。

《幾何原本》是現(xiàn)代數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，“兩點(diǎn)之間線段最短”更是大家都認(rèn)同的觀點(diǎn)，那么人類在發(fā)射探測器去往其它星球的時(shí)候是不是也遵學(xué)著這一公理呢？探測器是不是沿直線飛過去的呢？在廣袤的宇宙之中，天體之間的距離是十分遙遠(yuǎn)的，在太陽系之內(nèi)距離地球最近的行星就是金星，它與地球的距離大概在4050萬千米左右，顯然這是直線距離。直線距離都已經(jīng)如此遙遠(yuǎn)了，如果再繞遠(yuǎn)路，探測器什么時(shí)候才能到達(dá)目的地呢？所以看起來探測器的確應(yīng)該是沿直線飛過去的，但事實(shí)上并非如此。

目前人類發(fā)射的所有航天器使用的都還是化學(xué)動(dòng)力，所以在探索遠(yuǎn)距離目標(biāo)的時(shí)候，最需要考慮的并不是距離，而是如何省力。

任何具有質(zhì)量的物體都是具有引力的，只不過平日里我們所接觸的物體質(zhì)量都太小，所以感受不到，但如果物體的質(zhì)量大到宇宙天體的級(jí)別，引力作用就十分明顯了，比如地球。所以發(fā)射探測器的過程實(shí)際上就是與引力對(duì)抗的過程，要想與地球引力實(shí)現(xiàn)平衡，讓航天器圍繞地球運(yùn)行而永不墜落，速度就必須要達(dá)到每秒7.9千米的，這也是我們常說的第一宇宙速度。而要徹底擺脫地球的引力束縛，讓航天器去探索其它星球，就必須要實(shí)現(xiàn)第二宇宙速度，也就是每秒11.2千米。

現(xiàn)在我們來思考一個(gè)問題，如果一個(gè)航天器的速度超越了第一宇宙速度，又沒有達(dá)到第二宇宙速度，它會(huì)如何運(yùn)動(dòng)呢？

它依舊會(huì)圍繞地球運(yùn)動(dòng)，只不過它的軌道不再是一個(gè)圓形，而是會(huì)趨向于橢圓，這個(gè)橢圓形的軌道擁有明顯的近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)，而且航天器的速度越快，這個(gè)橢圓形的軌道就越橢，也就是說近地點(diǎn)與遠(yuǎn)地點(diǎn)相差的距離就越遙遠(yuǎn)。航天器運(yùn)動(dòng)速度的增加會(huì)使軌道由圓形趨向于橢圓，記住這一點(diǎn)，然后我們繼續(xù)來說下面的內(nèi)容。地球圍繞太陽運(yùn)動(dòng)，而在地球的外側(cè)，火星也在圍繞太陽運(yùn)動(dòng)，相比之下，地球的軌道是一個(gè)小圓，火星的軌道是一個(gè)大圓。

怎樣能夠讓探測器從地球的小圓軌道上跑到火星的大圓軌道上呢？

最簡單粗暴的方法，就是在火星與地球運(yùn)動(dòng)到最近距離的時(shí)候直線飛過去。不過這樣做要花費(fèi)不小的力氣，它意味著我們要徹底擺脫地球的引力束縛，從而達(dá)到第二宇宙速度。有沒有什么省力的辦法呢？有，就是利用霍曼轉(zhuǎn)移軌道。霍曼轉(zhuǎn)移軌道最早是在1925年由德國的工程師霍曼所提出的，當(dāng)時(shí)人類還沒有飛往太空的能力，而在過去了將近100年之后的今天，我們所發(fā)射的航天探測器依舊在利用這一理論。那么到底什么是霍曼轉(zhuǎn)移軌道呢？

假設(shè)現(xiàn)在我們有一個(gè)航天器正在地球軌道上圍繞地球運(yùn)動(dòng)，此時(shí)我們讓這個(gè)航天器進(jìn)行一次加速，會(huì)發(fā)生什么呢？它的軌道將會(huì)由圓形變?yōu)闄E圓。

我們知道這個(gè)航天器的速度越快，它的軌道就越橢，遠(yuǎn)地點(diǎn)就離地球越遠(yuǎn)，而當(dāng)這個(gè)橢圓足夠橢的時(shí)候，它的遠(yuǎn)地點(diǎn)就會(huì)與火星軌道發(fā)生相切。不過這并不意味著這個(gè)航天器就會(huì)跑到火星軌道上去，如果我們不管它，它在到達(dá)與火星軌道相切的遠(yuǎn)地點(diǎn)后還是會(huì)回來的。怎么才能讓它留在火星軌道上呢？就是在它與火星軌道相切的時(shí)候再進(jìn)行一次加速，于是它就能夠跑過去圍繞火星運(yùn)行了。當(dāng)然，這一切都有一個(gè)前提條件，就是航天器軌道與火星軌道相切時(shí)，火星恰好也運(yùn)行到了相同的位置。

其實(shí)要保證火星恰好運(yùn)行到相同的位置也并不難，只需要通過簡單的計(jì)算就可以確定。

地球的公轉(zhuǎn)周期為365天，而火星的公轉(zhuǎn)周期為687天，所以計(jì)算可知，這樣的軌道轉(zhuǎn)移時(shí)機(jī)每780天就可以出現(xiàn)一次?，F(xiàn)在你明白為什么各個(gè)國家發(fā)射火星探測器的時(shí)間都比較集中了吧，因?yàn)橐坏╁e(cuò)過了發(fā)射時(shí)機(jī)，就要再等兩年多才能夠再有機(jī)會(huì)發(fā)射。原本要花費(fèi)大量的能量將航天器推升到第二宇宙速度才可以前往火星，現(xiàn)在只需要利用這個(gè)橢圓形的霍曼轉(zhuǎn)移軌道做兩次加速就可以讓探測器跑到火星上去，的確是省了大力氣。

歡迎掃碼關(guān)注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的科普活動(dòng)和科普好物！