什么是飞往火星常常使用的霍曼转移?

  7月23日,我国在文昌发射场用长征五号遥四火箭实施首次火星探测任务,成功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,核心目标之一是稳定飞在工作轨道。在逃离地球表面、进入工作轨道之前,有必要进行轨道转移过程。大家经常听到的名词,如初始轨道、停泊轨道、转移轨道等,都与此相关。轨道转移的方式,也有多种理论和工程应用,例如霍曼转移、双椭圆转移、超同步转移等。

  对于大部分火星探测,尤其是带有环绕器/轨道器任务,最终的工作轨道是环绕火星的椭圆轨道。从地球到火星至关重要,需要一条高效率高成功率的转移轨道。

  人类运载火箭技术经过60余年发展,最核心的推进方式依然是通过化学推进剂燃烧释放化学能转化为火箭的动能,但依然太“弱”了。由于推进剂燃烧后的喷气速度和单位体积内的包含的能量限制,一枚运载火箭运输有效载荷到近地轨道的能力仅为总重的1-5%,随着距离提升效率会促进降低。例如,好奇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,地火运输效率仅为0.7%。

  对于有环绕器的任务,抵达火星制动后所剩推进剂也成为影响工作寿命的主要的因素。且对于动辄数亿千米的火星探测之旅,期间也要尽力减少推进系统工作次数,提高整个任务安全性和成功率。

  最终,地火转移轨道最重要的设计逻辑就是:最大限度节省推进剂,最大限度减少操作。

  1925年,德国航天工程师瓦尔特·霍曼博士出版了图书《Die Erreichbarkeit der Himmelskrper》,在书中提出了著名的霍曼转移轨道。

  太阳占据了太阳系超过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,本文的描述均以太阳为参考点。地球和火星每隔2年2个月才有一次会合机会,在这一段时间到来前几个月,探测器已经从地球出发,瞄准的是几亿千米外、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,在出发时,探测器要达到32.7千米/秒的速度,超过了地球本身的速度(29.8千米/秒)。在抵达时,探测器速度为21.5千米/秒,低于火星运动速度(24.1千米/秒)。整体上是半个椭圆,链接了地球轨道和火星轨道。

  因此,整个方案理论上仅需要两次加速:第一次加速,切入霍曼转移轨道,逃离地球;第二次加速,切出霍曼转移轨道,赶上火星。由于火星引力加速和大部分任务目标是环绕火星等原因,最后一次其实就是制动工作。飞行过程中,为应对外力会造成的轨道偏移,也仅需推进系统短暂工作微调,绝大部分时间自由飞行。整体上,方案格外的简单,对推进系统工作上的能力要求很低,使用的推进剂也很少,完美符合上述要求。

  当然,霍曼转移也有代价:距离和时间。一条标准的轨道可以长达6亿千米,需要飞行7个月左右时间。实际情况下可能更长更久,例如曼加里安号飞了近8亿千米,耗时10个多月。但这属于可接受的“不足”,例如奥德赛号抵达火星时有足够推进剂剩余,它已经工作了19年,还在正常工作,霍曼转移的代价已能忽略不计。

  奥德赛号的霍曼轨道转移方案用时6个月17天,总任务时长已超过19年NASA

  更重要的是,即便采取其他方案也没办法真正解决探测火星的距离和耗时问题,霍曼转移依然是总体最优。目前,几乎所有的最终目标为火星探测任务都使用了霍曼转移,或者由它改进而来的方案。

  采用标准霍曼转移轨道时,探测器离开地球的速度和方向都是确定的。如果火箭能力较强,尤其是最后一级或上面级能强力工作,同时有些探测器本身携带很多推进剂、且不在乎抵达火星后的剩余,例如不切入环绕火星轨道、抵达后立即降落的好奇号、洞察号等任务,则能采用改进的快速转移轨道设计的具体方案,尽力缩小飞行距离和时间。

  还有一些推进技术能应用。随着深空探测中离子电推进技术的逐渐成熟,它能够长期稳定工作,推力虽小,但能通过聚沙成塔的效果优化轨道。冷战时期,苏美也研发了几型核动力发动机,有潜力用在火星探测上,但最终并没有使用。

  最后,还有能借助其他天体引力的转移轨道。探测器第一站并不是火星,它能借助月球、地球、金星等引力源加速,曲线前往火星。亦有借助先奔金星而去的借力方案,冲点航线。它们都有各自的优势,不过都可能会导致整体控制导航更复杂,增加了一定的失败风险。例如,日本在1998年发射的希望号火星探测器多次采用地球和月球引力助推,但5年后很不幸失败了。