火星距离地球最近时才5500万公里，为何火星车要飞8个月才能抵达
火星是距离太阳第四近的行星，位于地球公转轨道的外侧，近十几年关于探测地外行星的新闻，大多来自火星探测。
中国国家航天局近期公布了很多关于火星的照片，都是“祝融号”传回来的。中国在火星探测领域，已经实现了绕飞、着陆和巡视探测三项任务，接下来就是带回土壤样品。
有个问题可能困扰着很多朋友，火星距离地球这么远，人类是怎么做到把探测器送上火星的？真的像科幻片中演的那样，操控宇宙飞船直达火星吗？事实上从地球到火星，远比影视剧中演绎的要复杂，而且复杂的多。
火星与地球的距离不是固定的，这是因为两者公转周期并不一致。火星距离地球最近时，大约5500万公里，而最远时达到了4亿公里。
火星绕太阳转一圈需要686天23小时，地球是365天。也就是说，火星距离地球最近的时间窗口期，26个月才会出现一次。
即便是5500万公里，也是非常遥远的距离，而且火星探测器要走的路程，远不止这么点距离，探测器要绕一条大概3亿公里的远路，才能抵达火星附近。
下面我们就来看一下，从地球发射探测器到火星，究竟要经历几个过程？人类又是如何克服这些问题的？
讨论火星探测器离开地球，就不得不讨论三大宇宙速度。当航天器的速度达到7.9公里/时，就可以绕地飞行，比如人造卫星和空间站，都是以这个速度在飞行，7.9公里/秒就是第一宇宙速度。
而想要摆脱地球引力，就需要比第一宇宙速度更快的速度，至少11.2公里/秒的第二宇宙速度。由于地球大气阻力的影响，从地面直接发射的火箭，很难达到这个速度，必须先将探测器发射到近地轨道，然后再加速到第二宇宙速度。
探测器以11.2公里/秒的最低速度逃离地球之后，还做不到自由翱翔。因为太阳引力控制了探测器的飞行路线。想要突破太阳引力的影响，冲出太阳系，航天器的速度最低要达到16.7公里/秒，这就是第三宇宙速度。
不过我们讨论的是到达火星，还在太阳系范围内，不需要摆脱太阳引力，只需达到第二宇宙速度就可以了。
然而，离开地球进入环绕地球的轨道就已经非常困难了，巨大的火箭需要消耗天量的燃料才能把数吨重的物体送入太空。
现在的火箭，平均自重100吨，也仅能运送3 5吨重的航天器进入近地轨道（200公里 2000公里之间）。如果将卫星发送到35786公里高的地球同步轨道，就必须采用三级以及三级以上的火箭，这样的话火箭运送能力会降低一般。
如果想让航天器飞得更远一些，来到38万公里处的月球上，探测器重量只能占火箭重量的1% 2%之间。美国阿波罗计划，使用的是土星五号火箭，重达3000吨，仅能运送45吨左右的飞船到地月转移轨道。
现在我们要做的，是将探测器送到5500万公里之外的火星上，其难度可想而知。如果按照现在的火箭运力，是不可能将探测器直接发射到火星上的，探测器需要通过霍曼转移轨道才能抵达，后面我们会重点介绍，此处暂时不提。
也就是说，人类目前的巨型火箭，只负责把让火星探测器摆脱地球引力，而不是送到火星，即便如此也是极大的挑战。
我们就拿美国的“好奇号”火星车举例，运载“好奇号”的火箭是宇宙神5-541火箭，核心推动部分包括1个宇宙神-5 型核心级、4个固体助推器和1个半人马上面级发动机，使用了5.4米直径的超大整流罩。
火箭的总重高达531吨，而其负责运送的好奇号组合仅重3.8吨，运载效率仅为0.7%。而且这3.8吨当中，火星车核心部分仅占0.9吨，其余大部分是为火星车着陆准备的。
所以说，发射探测器到火星，第一步要做的就是使用大型运载火箭，让探测器摆脱地球引力的控制。
现在我们的探测器已经摆脱了地球引力，正以相对太阳32.7公里/的速度向火星奔去。
你没有看错，就是32.7公里/秒，因为探测器从地球出发时，就已经获得了一个来自地球公转的速度，前面我们所说的三大宇宙速度，是相对地球而言的。
具体这个速度是如何计算的，我们这里就不展开说了，你只需要直到探测器的飞行速度非常快就好了。
按照这个速度，结合火星与地球最近时5500万公里的距离，如果走直线的话，按理说探测器不到20天就可以抵达火星了。
但是我们前面已经说过，探测器不能走直线飞行，因为没有足够大的宇宙飞船，来提供如此远程奔袭所需要的燃料。所以探测器走了一条几乎不需要动力的一条路，只是这条路比较远！
航天器在太空中的运行轨迹，一定要符合万有引力定律和开普勒天体运行三大定律，探测器的路线必须是椭圆形的，这样才可以充分利用星球之间的引力关系。
1925年，沃尔特·霍曼博士给出了这种星际旅行的最佳解决方案，该方案因此被后人叫作霍曼转移轨道，它是以节约能量为原则的理想方案。
霍曼转移轨道的思路大致是：在地球和火星的环绕太阳的轨道之间选择一条椭圆路线，椭圆与地球运行的轨迹外切，与火星运行的轨迹内切，以太阳为椭圆的一个焦点。
探测器摆脱地球引力之后，已经获得了一个来自地球公转给予的速度，探测器只需在此速度上加速即可。可以理解为探测器从地球公转轨道上出发，朝着火星公转轨道飞行，不是直接飞过去，而是沿着霍曼转移轨道切过去。当探测器进入火星公转轨道后，再点燃燃料，增加一定的速度来追赶火星。
整个过程中，探测器只启动了两次动力系统，一次是加速离开地球轨道，进入霍曼转移轨道，一次是快要抵达火星时从霍曼转移轨道上脱离，追赶火星。
霍曼转移轨道最大的优势就是节省燃料，探测器不需要建造成超大号宇宙飞船那样，它的燃料消耗非常少。
但是霍曼转移轨道的缺点也很明显，就是飞行时间很长，探测器必须按部就班的按照椭圆轨道运动，走完整个椭圆近一半的路程。
火星与地球最近时的距离大约5500万公里，而标准霍曼转移轨道却长达6亿公里，探测器需要飞行至少260天左右。
这是探测器登陆火星的第二步，它必须要沿着霍曼转移轨道，奔袭至少3亿公里的路程！
经过亿里跋涉，探测器终于到了距离火星比较近的位置，但在着陆火星之前，探测器先要进入火星卫星轨道。因为直接着陆的结局，就是探测器直接撞向火星，探测任务就功亏一篑了。
探测器靠着推力系统，让自身运行轨迹与火星轨迹重合，两者相对太阳的速度几乎一样，此时，火星引力将起到主导作用。在探测器自身能力有限的情况下，火星引力很容易使其加速，从火星附近飞过或者直接撞向火星。
如果探测器拥有很强的动力系统，会很容易切入火星轨道，然而现实情况是，探测器所携带的燃料非常有限。探测器上的每一滴燃料都是从遥远的地球运过来的，如果用来减速就真的太浪费了，而且火星车着陆之后，也需要一定的燃料来执行探测任务。
比如印度的曼加里安探测器，总重1337千克，燃料有852千克；考虑到余下的基本结构、太阳能电池板、发动机和基本控制导航器件等，真正用于科研的设备仅有13千克左右。由此可见燃料重量对火星探测器的巨大影响。
为了以最低的燃料消耗，达到进入火星卫星轨道的目的，科学家们绞尽脑汁，终于想出了一个方案：空气刹车！
火星探测器到达火星附近之后，张开太阳能帆板，通过与火星极其稀薄的大气摩擦，逐渐降低椭圆轨道，靠近火星。美国航空航天局总结，利用空气刹车方案，足足节省了600千克燃料。这是一个了不起的成就。
不知道读者朋友们看到这里会有什么感受，很多人只知道火星探测比较难，但从未想过有这么难！
这是探测器飞往火星的第三步，想方设法切入火星卫星轨道，距离着陆只差最后一步，而这最后的一步才是最具挑战性的过程！
探测器登陆火星，终于迎来了最后一步：平稳着陆，这一步如果做不好，前面的努力就都白费了。
为了方便理解，我们先来看一下航天器在地球上是如何着陆的，我们选择载人航天的返回着陆来举例。因为火星探测器内部，承载着火星车这类核心仪器，必须平稳着陆，就像载人返回那样。
载人航天飞船着陆时要先调整好角度，飞船不能直上直下冲进大气层，其返回轨迹要与地面形成一个3度左右的夹角。如果夹角过大，飞船会和大气层产生过量摩擦而温度太高，如果夹角太小，就会像打水漂一样，从大气层附近掠过，就无法返回地球了。
当飞船距离地面10公里左右的时候，由于大气摩擦作用，速度已经降下来了，但还是太快。此时飞船就会打开巨大的降落伞，让速度变得更慢。到了快接近地面是，飞船启动反推系统，最终将飞船的速度降到2米/秒左右。
载人飞船着陆地球都如此困难，在火星上着陆就更加困难了，即便是无人探测器，着陆火星都比返回地球要复杂的多。
火星上的大气层比较稀薄，但同时引力也较小，所以探测器也可以利用空气阻力来减速。但是火星探测器的速度非常快，跟大气摩擦产生的热量也非常高，温度能够达到2100 。而且着陆器从到达火星大气边缘，但最终着陆，只有大约7分钟时间。
在这七分钟时间里，探测器要面对高速、高温、撞击等极端挑战，在接近火星地面时，着陆器的反推系统会启动。此时雷达迅速打开，探测着陆点的环境，探测器要选择一块平整的地形着陆。
整个着陆过程，包括最后选择地形的过程，探测器只能靠自带的智能系统控制完成。因为以火星与地球的距离，无线电信号传输都需要二十分钟以上的时间，根本无法在地求上实时遥控探测器着陆。
历经千辛万苦的探测器，终于平稳着陆在火星上了，接下来就可以开展巡视探测任务了！
以上就是探测器从地球到达火星的过程，这跟科幻小说中写的相差很大。尤其是探测器需要通过霍曼转移轨道，绕这么个大圈子才能抵达火星，这也是火星探测器飞行时间长的原因。
关于探测器抵达火星的话题，就简单的介绍到这里，读者朋友有其他观点的，欢迎在下方评论区发表意见！
