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马斯克的特斯拉跑车 真能到达火星吗?

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
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  来源:科学大院微信公众号

  作者:李会超(中国科学院国家空间科学中心)

  目前,一枚体态巍峨的火箭正矗立在美国肯尼迪航天中心的39A发射架上,静待它的第一次飞行。曾经从39A发射架起飞的土星-5型火箭和阿波罗11号飞船,实现了人类第一次登上月球的壮举。而如今即将从39A启程的这枚火箭,也将创造新的纪录:一旦发射成功,这种被称作“猎鹰重型“的火箭将会成为目前正在服役的火箭中运载能力的佼佼者。


矗立在发射架上的猎鹰重型火箭

  这种脱胎于猎鹰9号技术的新火箭,将成为SpaceX创始人埃隆?马斯克移民火星梦想的先行者。其强大的运载能力足以将16.8吨重的航天器送入前往火星的轨道。由于本次发射主要目的是验证火箭性能,同时发射也存在较大风险,猎鹰重型火箭首飞时将不会搭载任何传统意义上的航天器,而是会将马斯克的特斯拉Roadster跑车送入太空之中。对于本次发射,有媒体报道这辆跑车的最终目的地将是火星。但事实上,它真的能到达火星吗?

  去火星,该怎么走?

  在描述地球人与火星人展开世纪大决战的科幻小说《星际战争》中,英国作家赫伯特?乔治?威尔斯设想,要向火星发射火箭,首先要等待火星和地球之间的距离由于二者的公转而到达最小。之后,将火箭瞄准火星的方向并发射,就可以多快好省的到达火星。

  然而,这种源自我们日常生活经验的设想如果能基于现有技术实现的话,行星科学家和航天工程师们的日子就好过多了。在太空中,要想真正到达火星,需要考虑的问题要复杂的多。飞船在设法挣脱地球的引力后,还要考虑在太阳引力的作用下,沿着一条合适的路径从地球附近转移到火星附近。

  1925年,德国工程师瓦尔特?霍曼给出了从距离中心天体距离不同的圆轨道间相互转移的最省时省力的途径:飞行器可以在较低的圆轨道上(下图中绿色轨道)进行加速(A点),进入一条椭圆轨道上(下图中黄色轨道)。这个椭圆轨道的两端分别与较低的圆轨道和较高的圆轨道(下图中红色轨道)相连。当飞行器到达椭圆轨道与较高圆轨道相切的位置时(B点),需要再次加速,以进入较高的圆轨道。



  这种被称作“霍曼转移轨道”的路径在航天飞行中得到了广泛的应用。如果把绿色的轨道视作地球公转轨道,将红色轨道视为火星公转轨道,那么黄色的霍曼转移轨道就是从地球去往火星的太空路径。

  除了去往火星外,火箭发射在地球同步轨道工作的卫星时,也会采取类似的方法。火箭一般不会直接将卫星发射到距离地面三万六千公里的地球同步轨道上,而是先将卫星送到一条椭圆轨道的近地点上,再由卫星在椭圆轨道的远地点上打开发动机加速,进入静止轨道(这个加速也可以由火箭上面级完成)。这条椭圆轨道一般被成为地球同步转移轨道(GTO轨道),同样属于霍曼转移轨道的具体实现,只是中心天体变成了地球。

  滞留在转移轨道上的红色跑车

  在太空中,一旦围绕某个中心天体飞行的轨道确定了,飞行器的飞行速度也就同时确定了。开普勒和牛顿联手保证,你的飞船既不会早点,也不会延误。如果沿着霍曼转移轨道从地球飞到火星,总共需要度过大约8个月左右的时间。虽然我们已经通过国际空间站的运行,掌握了一些宇航员长期在太空中工作生活的经验,但处于地球磁层保护下的国际空间站,所受的辐射水平比去往火星的转移轨道上要低不少。因此,去往火星的慢慢长路中,如何保护宇航员免受来自太阳高能粒子和宇宙线的辐射,是需要首先解决的问题。

  在确定路线后,如果随便选择一个良辰吉日就进行发射,可能会使得这段旅程的结局变得十分尴尬:飞船成功到达了火星轨道,却没有发现火星的踪影。霍曼转移轨道的只能保证成功地到达火星的公转轨道,然而火星此时可能处于轨道上的任意一个位置,并不一定与飞船相遇。因此,必须选择在地球和火星的相对位置合适时发射飞船,才能保证成功到达火星。这样的发射时机,大约每26个月才会出现一次。错过之后,就必须等待下一次发射窗口。例如,原计划于2016年3月发射的美国“洞见”号火星探测器,因为发射前探测器上负责探测火星地震和内部结构的SEIS仪器出现问题,不得不将发射时间推迟到了2018年5月。


飞船选择合适发射窗口,与火星“相遇”


飞船发射时机选择不当,未能到达火星


作者本人搭乘“洞见号”去往火星的登机牌

  那么,马斯克的特斯拉跑车究竟能否到达火星呢?猎鹰重型火箭第一级和助推器能够提供强大的起飞推力,第二级具有在轨道上多次开机和长时间工作的能力,能够执行较为复杂的变轨任务。因此,帮助跑车挣脱地球引力和进入霍曼转移轨道的工作,可以由火箭的多次点火变轨完成,不用跑车自己“操心”。然而,由于猎鹰重型火箭并没有选择今年5月到来的地球-火星发射窗口发射,在霍曼转移轨道的另一头,跑车也许并不能与火星相见。而即便火箭选择了合适的发射窗口,跑车到达火星后,也没有动力减速以使火星捕获它。因此,这辆跑车很可能将永远停留在转移轨道上,在地球与火星轨道间来回穿行。


等待发射升空的特斯拉跑车,图片两侧是猎鹰重型火箭的整流罩

  认真的读者可能会发现,飞行器到达火星后的减速似乎与我们上文所说的在B点的加速相矛盾。实际上,由于探测火星的飞船的最终目的是围绕火星运行或者登陆火星,而非在火星轨道上围绕着太阳公转。要使飞船被火星重力捕获的话,需要进行的操作是减速而非加速。

  去往火星的其他选择

  要实现殖民火星的梦想,每隔26个月才能进行一批发射显然不是好消息。同时,从火星返回地球的飞船同样要受到发射窗口的限制。好在轨道力学家们的新想法有希望解决这个问题。2014年,轨道力学家们提出了一种名叫“弹道捕获”的去往火星的新方法。这种方法仍然要使用霍曼转移轨道,将飞行器从地球转移到火星轨道上去。然而和现有方式不同的是,飞船和火星无需在转移轨道的另一头相遇。飞船只需要进入火星绕日公转的轨道,再通过变轨操作等待火星与自己接近,最终被火星的引力捕获。

  采用现有方式去往火星时,飞船在火星附近的减速是个风险较大的操作,减速时机和发动机在减速时的工作时间,必须把控的非常精巧才能确保成功。采用弹道捕获法时,飞船在靠近火星后将“自动”被火星捕获,无需再进行减速。据估算,弹道捕获法能够将去往火星的燃料消耗降低25%左右,从而能降低发射成本,或将空余出来的重量用来搭载有效载荷。 这种方法唯一的缺陷在于飞行时间的延长。如果搭载宇航员的载人飞船采用这种办法去往火星,飞行时间将比采用现有方法延长几个月。目前,弹道捕获法还停留在理论阶段,实际成效还有待在任务中得到验证。
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