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vlbi 成功着陆！关于火星探测的所有问号，这篇文章都给你拉直( 二 )


【 vlbi|成功着陆！关于火星探测的所有问号，这篇文章都给你拉直】要离开地球的话，第一宇宙速度还不够，我们需要再加速，加速到第二宇宙速度（逃逸速度）约11.2 千米/秒。这时候才可以离开地球，那么需要付出的代价是什么呢？以阿波罗计划为例，运载火箭土星五号的全重是3000吨，仅能运送45~48吨的飞船到地月转移轨道，值得一提的是它在燃烧第一级时，每秒钟就烧掉13吨燃料，足够一辆家用小汽车绕地球四圈。
离开地球之后就可以踏上前往火星的道路了吗？还差点。
事实证明有个好的路线规划是能省很多燃料。1925年，沃尔特·霍曼博士就提出了利用太阳引力的霍曼转移轨道，这条线路最省能源。
vlbi 成功着陆！关于火星探测的所有问号，这篇文章都给你拉直
文章插图

飞行器从地球到火星沿霍曼轨道运行示意图（图片来源：作者提供）
他的思路是在地球轨道和火星轨道之间找到一条环绕太阳的椭圆路线。这个椭圆与地球轨道外切，同时与火星轨道内切。以出发时的地球为近日点，相对于太阳的速度最大，达到32.7千米/秒，以到达时的火星为远日点，相对于太阳的速度最小，只有21.5千米/秒。全过程只需要做两次加速，一次离开地球轨道，进入霍曼转移轨道，另一次离开霍曼转移轨道，进入火星轨道，需要从21.5千米/秒，加速到火星的公转速度24.5千米/秒。
不用做太多加速看起来很省燃料，但也真的很花时间。由于各探测窗口不同，各探测器使用的火箭性能和飞行方案不同，最终探测器的飞行距离达4到7亿千米，要飞行6到11个月不等。实际情况也很复杂，中间需要做很多的计算，只有大型专业的航天机构才能完成。
对此，《下一站火星》中有这样一个比喻：
“这有点类似让一个人在滑翔机上（运动速度较快的地球）扔（发射）一粒小石子（探测器）， 在提前很远的地方（发射窗口），中间有风和空气影响（恒星和行星等各种引力源）， 准确穿过地面一辆左右前后运动（火星围绕太阳运动轨道倾角不同，有大偏心率）的小汽车（运动速度较慢的火星）天窗（引力影响范围，希尔球）后，再掉到司机的水杯里（环绕火星轨道）。 即便不考虑着陆，探测火星的难度已经可想而知。”
飞行的时间长是一个方面，另一方面等待离开地球进入霍曼转移轨道的时机，也就是发射窗口，也很漫长。按霍曼的要求，这一时间窗口约每26个月才会出现一次，如果错过了就又是一次漫长的等待。而最近的发射窗口就是今年的7到8月份。
三、难点篇：火星探测很难，为什么？
火星探测任务一般可分为环绕、着陆和巡视三类。环绕任务，即发射环绕火星运行的探测器，例如欧空局火星快车号、NASA的火星勘察轨道器；着陆任务则是使探测器着陆到火星上去，例如美国宇航局的凤凰号、洞察号探测器；巡视任务即能够在火星上进行巡视勘探的火星车，例如美国宇航局的旅居者号、勇气号、机遇号和好奇号火星车。
1960年，前苏联向火星发射了火星1A号探测器，它是人类探测火星的开端。1964年，美国成功发射水手4号火星探测器，它是历史上首个成功到达火星的探测器。从1960年的火星1A 号到2018年“洞察号”，人类共进行了40多次火星探测任务，包括了环绕、着陆、巡视任务，其中成功的任务仅占到约一半。那么，火星探测为什么这么难呢？
难点1——探测器发射窗口少
月球探测每年都有窗口期；火星距离地球非常遥远，每隔约26个月才有一次“火星探测窗口”，因此一旦错过窗口期，就只能再等两年。
难点2——测控和数传面临的困难大
放风筝的时候，风筝飞得再高，还有一根线在手中，那么，在飞向火星的漫漫长路上，探测器和地面之间也有“一根线”吗？
有的，这就是测控和数传。
测控和数传指的是地面测控站与探测器保持通讯，即利用地面测控系统对探测器进行定轨定位，利用地面台站向探测器发送遥控指令，接收探测器的科学探测数据。
深空测控通信的难点可以概括为信号空间衰减大、信号传输时延长、信号传播环境复杂以及高精度导航困难[2]。
难点2.1 信号空间衰减大，接收信号弱
深空探测器的测控通信需要面临距离遥远带来的一系列问题，探测器测控通信通常采用无线电信号进行信息传输，而无线电波以光速向外辐射，强度按照传播距离的平方衰减，故距离信号的发射源越远，强度越低[2]。
火星探测器和地球之间的距离非常遥远，最远达到4亿千米，是地月距离的1000倍。探测器发射的信号，通过遥远的距离传输到地球上的时候，信号强度已经严重衰减，通常采用更大口径的天线来接受微弱的信号。

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