7月23日，我国在文昌放射场用长征五号遥四火箭实行初次火星探测使命，乐成将天问一号探测器送入预定轨道，开启火星探测之旅。
探测器进入太空后，焦点目的之一是稳健飞在事情轨道。在逃离地球外貌、进入事情轨道之前，必要举行轨道转移历程。家人们每每听到的名词，如初始轨道、停泊轨道、转移轨道等，都与此相干。轨道转移的方法，也有多种理论和工程应用，比方霍曼转移、双椭圆转移、超同步转移等。
对付大部门火星探测，尤其是带有围绕器/轨道器使命，终极的事情轨道是围绕火星的椭圆轨道。从地球到火星至关紧张，必要一条高服从高乐成率的转移轨道。
一、地火转移轨道应该接纳什么规律？
人类运载火箭技能颠末60余年进展，最焦点的推进方法依旧是通过化学推进剂燃烧开释化学能转化为火箭的动能，但依旧太“弱”了。因为推进剂燃烧后的喷气速率和能量密度限定，一枚运载火箭运输有用载荷到近地轨道的本领仅为总重的1-5%，随着间隔提拔服从会进一步低落。比方，奇怪号火星车和它用来降落火星的组合体总重约3.8吨，但推送它们的是重达531吨的宇宙神5-541火箭，地火运输服从仅为0.7%。
宇宙神5-541火箭©️NASA+中文解释
对付有围绕器的使命，抵达火星制动后所剩推进剂也成为影响事情寿命的紧张身分。且对付动辄数亿千米的火星探测之旅，时期也要努力淘汰推进体系事情次数，进步整个使命宁静性和乐成率。
终极，地火转移轨道最紧张的设计规律便是：最大限度节约推进剂，最大限度淘汰操纵。
二、为什么选择霍曼转移？
1925年，德国航天工程师瓦尔特·霍曼博士出书了图书《Die Erreichbarkeit der Himmelskörper》，在书中提出了闻名的霍曼转移轨道。
瓦尔特·霍曼博士（1880-1945）©️NASA
太阳据有了太阳系凌驾99%的重量，因而太阳系内部天体运行和探测器转移轨道的引力源是太阳，本文的形貌均以太阳为参考点。地球和火星每隔2年2个月才有一次会集时机，在这个时间到来前几个月，探测器已经从地球动身，对准的是几亿千米外、几个月后火星会抵达的位置。假设地球和火星均是纯圆轨道，在动身时，探测器必要到达32.7千米/秒的速率，凌驾了地球自己的速率（29.8千米/秒）。在抵达时，探测器速率为21.5千米/秒，低于火星活动速率（24.1千米/秒）。团体上是半个椭圆，链接了地球轨道和火星轨道。
火星探测霍曼转移轨迹表示图
是以，整个方案理论上仅必要两次加快：第一次加快，切入霍曼转移轨道，逃离地球；第二次加快，切出霍曼转移轨道，遇上火星。因为火星引力加快和大部门使命目的是围绕火星等缘故原由，最终一次现实上是制动事情。飞行历程中，为应对外力大概造成的轨道偏移，也仅需推进体系短暂事情微调，绝大部门时间自由飞行。团体上，方案非常简洁，对推进体系事情本领要求很低，利用的推进剂也很少，完善切合上述要求。
固然，霍曼转移也有价钱：间隔和时间。一条尺度的轨道可以长达6亿千米，必要飞行7个月左右时间。现实情形下大概更长更久，比方曼加里安号飞了近8亿千米，耗时10个多月。但这属于可以担当的“不敷”，比方奥德赛号抵达火星时有充足推进剂剩余，它已经事情了19年，还在正常事情，霍曼转移的价钱已经可以纰漏不计。
奥德赛号的霍曼轨道转移方案用时6个月17天，总使命时长已凌驾19年©️NASA
更紧张的是，即便接纳其他方案也无法真正办理探测火星的间隔和耗时题目，霍曼转移依旧是总体最优。现在，险些全部的终极目的为火星探测使命都利用了霍曼转移，大概由它革新而来的方案。
三、霍曼转移之外
采纳尺度霍曼转移轨道时，探测器脱离地球的速率和偏向都是确定的。假如火箭本领较强，尤其是最终一级或上面级能强力事情，同时有些探测器自己携带许多推进剂、且不在乎抵达火星后的剩余，比方不切入围绕火星轨道、抵达后马上降落的奇怪号、洞察号等使命，则可以接纳革新的快速转移轨道设计方案，努力缩小飞行间隔和时间。
另有一些推进技能可以应用。随着深空探测中离子电推进技能的渐渐成熟，它可以或许恒久稳健事情，推力虽小，但能通过聚沙成塔的成效优化轨道。暗斗时期，苏美也研发了几型核动力发动机，有潜力用在火星探测上，但终极并没有利用。
盼望号在高兴飞行5年后，引力助推方案不幸落败©️NASA
最终，另有可以借助其他天体引力的转移轨道。探测器第一站并不是火星，它可以借助月球、地球、金星等引力源加快，曲线前去火星。亦有借助先奔金星而去的借力方案，冲点航路。它们都有各自的上风，不外都市导致团体操纵导航更为庞大，增添了必然的失败危险。比方，日本在1998年放射的盼望号火星探测器多次采纳地球和月球引力助推，但5年后很不幸失败了。
现在来看，霍曼转移依旧是将恒久陪同人类火星之旅的最优方案。
（本文已首发国度航天局官网）
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