去火星为什么不能直线飞

地火转移轨道应该采取什么逻辑？

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，但这依然太“弱”了。

由于推进剂燃烧后的喷气速度和能量密度限制，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进一步降低。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%。

宇宙神5-541火箭NASA+中文注释

对于有环绕器的任务，抵达火星制动后所剩推进剂多少成为影响工作寿命的重要因素。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。

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为什么选择霍曼转移？

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

瓦尔特·霍曼博士（1880-1945）NASA

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，在这个时间到来前几个月，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。

在出发时，探测器需要达到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。

火星探测霍曼转移轨迹示意图

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，最后一次实际上是制动工作。飞行过程中，为应对外力可能造成的轨道偏移，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，方案非常简单，对推进系统工作能力要求很低，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。但这属于可以接受的“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。这种情况下，霍曼转移的代价已经可以忽略不计。

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无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。