【菜科解读】

天问一号什么时候到达火星？在中国航天史上，“天问一号”探测器是一个里程碑式的存在。

这是人类首次登陆火星，也是第一次实现从地球到火星的环绕、着陆和巡视视，标志着中国人首次踏上太空的征程。

”中国载人航天工程办公室主任张柏楠说。

“我们希望通过这次任务，让更多人了解火星，认识火星，，并在未来探索火星。

同时，也为人类探索宇宙提供了一个新的视角。

“我们的目标是在2030年左右实现载人登陆火星，这是我们的第一步。

一、到达火星的时间？

优质答案1：

1、地球到火星最近为5500多万千米，最远可达3～4亿千米光速30万千米每秒，所以如果是光，地球到火星最近的时候要150秒，最远的时候要1000多秒，就是20分钟左右！

2、如果人类乘飞行器去火星，按目前技术，得要7、8个月，当然还是火星距离地球最近的5500多万千米的时候飞过去。

这样往返一次火星，至少耗时2到3年时间

优质答案2：

根据人类现在科学水平，到达火星大约需要7个月时间。

2003年美国“勇气”号火星探测器在肯尼迪航天中心发射上天。

经过近7个月的飞行，于2004年1月4日中午12时35分成功在火星表面登陆。

优质答案3：

据国家航天局，截至今天凌晨，我国首次火星探测任务天问一号探测器，已在轨飞行116天，飞行里程超过3亿千米，距离地球约6380万千米。

天问一号计划2021年2月到达火星，5月择机实施降轨

二、天问一号以什么样速度飞往火星？

优质答案1：

天问一号以什么样速度飞往火星？

简单的说，火星最近时距离地球约6000万公里左右，最远时距离地球约4亿公里。

一般来说，火星探测器发射是在火星距离地球比较近的窗口发射，今年是地火相冲年，也就是有一次比较近的窗口，最近时距离地球只有6300万公里。

2020年7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭（昵称“胖五”）文昌航天发射场点火升空，将中国首次火星探测任务的“天问一号”探测器送入轨道，开启了中国深空之旅的首航。

那么这次“天问一号”的征程有多长呢？请听时空通讯细细道来。

航天发射必须遵循的最基本常识就是：三个宇宙速度。

这三个宇宙速度是：第一宇宙速度为7.9km/s，叫环绕速度。

达到这个速度，航天器就不会被地球引力拽下来，也脱离不了地球引力，现在的所有人造卫星、空间站等地球轨道航天器，都是遵循这个发射速度；

第二宇宙速度为11.2km/s，叫脱离速度。

达到这个速度就可以脱离地球引力，飞往别的行星，如火星探测器发射必须达到这个速度；

第三宇宙速度为16.7km/s，是在地球轨道脱离太阳引力的速度，又叫逃逸速度，与本文没多大关系，这里就不多扯了。

从三个宇宙速度来看，到火星每秒必须达到11.2公里的速度。

如果是在地火相冲的最近发射窗口发射，其距离充其量有7000万公里，这样我们按照每秒至少11.2公里的速度，就可以算出到达火星的时间为：70000000/11.2/3600/24≈72天。

因此只要飞72天多点，也就是两个多月的时间就到了。

可航天局发言人刘彤杰宣称，天问一号地火转移飞行约需6.5个月，也就是约200天左右才能到达，这又是为什么呢？

原来飞火星并不是直来直去那么简单。

我们知道，太阳系所有行星都在自己的轨道围绕着太阳公转，这些轨道都是一个个环状。

如果从靠太阳最近的水星算起为1环，那么金星就是二环，地球就是三环，火星就是四环，然后是木星、土星、天王星、海王星，类推为五六七八环。

由此我们可以看出地球与金星和火星是左右邻居，是靠得最近的两个星球。

但地球和火星两个星球在自己轨道上以不同的线速度公转，地球公转线速度为29.8km/s，火星公转线速度为24.32km/s，这样两颗行星就不会老在相同的距离。

人们把行星运行到太阳同一侧靠得最近的时候就叫“冲”，各自在太阳不同的侧面最远时，就叫“合”。

地球和火星相冲时，一般在6000万公里左右，相合最远时约4亿公里左右。

计算行星相冲间隔时间公式为：1/S=1/E-1/T。

式中，E是地球的公转周期，T是行星轨道周期，S是地球与这颗行星的会合周期。

这个公式可以计算地球与各大行星的相冲时间间隔。

代入地球和火星公转周期：E（地球）=365.25天，T(火星）=686.98天，可求出地球和火星相冲时间间隔为：S=779.93天。

因此发射火星探测器，最节省燃料旅途最短的就是地火相冲的年份。

今年就是相冲年，地火最近距离时为6300万公里。

但这并不等于发射的航天器只要飞行6300万公里就能够到达火星，因为地球在走，火星也在走，而且还要本着节省燃料的原则走最佳路线。

航天发射遵循的最重要原则是节省燃料。

这是因为迄今为止，人类发射航天器除了把航天器送上天，就再也带不了更多的燃料。

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由于脱离地球引力需要巨大能量消耗，而且这种消耗主要用在火箭自身质量和燃料消耗质量上，真正的有效载荷占比重很小。

比如上世纪美国发射登月飞船采用土星五号火箭，起飞重量达到3038.5吨，进入月球轨道的有效载荷才有45吨，也就是说85%以上的重量都是用于发射。

而我国发射“天问一号”用的长征五号遥四运载火箭（昵称“胖五”），发射重量达到870吨左右，而进入火星转移轨道的“天问一号”只有5吨左右，其中载荷的90%以上都是用于火箭本体和燃料。

只有5吨的“天问一号”还能够携带多少燃料？

发射进入轨道的航天器如果要携带更多的燃料，火箭说携带的发射燃料就需要更多，这样起飞重量就成指数级增加，这就是一个极大的矛盾。

所以深空探测器的发射最重要的就是本着最节省燃料的原则。

由此，探测器就不能完全依靠自身携带的燃料来提速和减速，而是要充分利用天体引力弹弓效应，并且要选择一个节省原料的最佳路线。

飞往火星探测器一般采用的都是霍曼转移轨道方式。

目前飞往火星有三种路线方式，即霍曼转移轨道、快速合点航行和冲点航行。

快速合点航行行程似乎是最短的，也是燃料消耗最大的，一般很少采用；冲点航行是发射的航天器围绕着太阳转了一个圈，看起来当火星到达地球的冲点最近时会合着陆，但其实航程并不短；现在一般采用的是最节省燃料的霍曼转移轨道，但这种航程都在4亿公里以上。

在太空动力学中，霍曼转移轨道是一种变换太空船轨道的方法，途中只需要两次引擎推进，将航天器从低轨道送往高轨道，到达霍曼转移轨道。

这样探测器就由椭圆轨道的近拱点抵达远拱点，再瞬间加速，进入火星目标轨道。

实际上霍曼转移不但可以升高轨道，也可以降低轨道。

当探测器到达火星被火星引力捕获后，就可以通过霍曼转移降低轨道，到达理想的绕火星轨道。

这种转移是通过减速实现的。

霍曼转移遵循的原理见下图。

这样实际上飞往火星的时间和航程就大大延长了。

我国发射的天问一号采用的大概就是霍曼转移方式，其行程与2018年NASA发射的洞察号火星探测器差不多，费时也差不多。

洞察号于2018年5月5日发射，11月26日到达，用时206天，行程4.85亿公里，平均时速为9.8万公里，秒速达到27公里。

因此看起来，深空探测器的发射远远不是达到第二宇宙速度那么简单，而是超过了第三宇宙速度了。

也就是说，前往火星的探测器飞行速度最低要达到11.2km/s，而实际上在征途中远远不止这个速度。

那为什么这些探测器没有飞出太阳系去呢？这就是深空探测器在发射和管理过程中，需要娴熟掌握加速和减速技术了。

而霍曼轨道转移技术的控制就是非常重要的一项技术，而且还要利用引力弹弓效应。

火星可不比月球，行程距离是月球的近1000倍，导航和精准控制技术要求很高，提升轨道和降低轨道拱点要把握精确，稍有差池，探测器就会不知所踪或撞毁。

这也是一些国家发射了很多火星探测器无一成功的原因，实际上我国第一艘火星探测器“萤火”号就是因搭载的俄罗斯探测器失败而失败的。

在此祝愿天问一号按时到达目标。

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优质答案2：

天问一号以什么样速度飞往火星？

今年7月23日，“天问一号”火星探测器在海南文昌点火发射，承载着我国深空探测的首颗探测器将在浩瀚的宇宙空间中航行6个多月的时间，预计于明年2月份抵达火星轨道，届时探测器将继续环绕火星运行2个多月的时间，一方面通过环绕监测火星基本情况，包括整体的地形地貌、磁场、太阳风等，另外还要对火星地表进行深入探测，以寻找合适的火星车降落地点和时机。

如果按照火星和地球最近的距离5600万公里计算，“天问一号”的飞行速度，似乎平均只有3.5公里每秒，这个速度远低于地球的第一宇宙速度，为何还能飞到火星呢？

第一宇宙速度和第二宇宙速度#p#分页标题#e#

第一宇宙速度又叫环绕速度，它指的是一个物体在星体表面，能够围绕星体做环绕运行所需要的最小速度。

这个速度，早在牛顿发现万有引力定律之后就已经通过理论推导计算出来了，其表达式为V1＝√（GM/r），其中G为万有引力常数、M为星体质量、r为物体与星体质心的距离。

从立体空间的角度，我们可以看出，当一个物体围绕星体运行时，如果其受到的万有引力完全充当了环绕运行的向心力，那么这个物体沿着轨道切向运行，所拉大的与星体质心的距离，将与物体在万有引力作用下向质心坠落的距离相抵消，从而在空间上表现出稳定的环绕运行状态，在星体表面曲率的影响下，永远也坠落不到星体的表面。

如果物体的环绕线速度持续加大，那么它运行时与星体质心的距离也会不断增加，当达到一定程度后，就会使得物体运行轨道变为不封闭的抛物线，这个时候物体就会表现出脱离了星体的引力束缚，所以这个时候的最小速度也被称为逃逸速度，其表达式为V2＝√（2GM/r）。

在理论上，我们从地球上发射人造卫星，其要达到的线速度必须要满足地球的第一宇宙速度，即7.9公里每秒；如果要向其它行星发射探测器，则要达到的线速度必须要满足地球的第二宇宙速度，即11.2公里每秒。

节省燃料的必要性和重要性

由于火星和地球都属于太阳的行星，虽然轨道相邻，但是由于和太阳的距离有一定的差异，所以在各自的轨道上公转线速度也有一定差异，其中地球公转速度30公里每秒，火星24公里每秒，火地之间的距离也是时刻处于不断变化之中，最近距离为5600万公里左右，最远可达到4亿公里。

由于地球和火星的轨道是椭圆形的，它们之间最近的距离要间隔16年左右循环一次，这是“地火大冲年”，在两个大冲年的间隔期内，又会有若干小冲年，平均间隔在2年多一点。

因此目前发射火星探测器，需要选择利用这样的“地火相冲”年（大冲年或者小冲年）择机进行，以确保以最短的时间、最低的成本完成探测任务。

比如今年就是一个“小冲年”，地火之间的最短距离大约为6300万公里。

虽然理论上火箭发射以后，随着燃料的持续供给，其飞行速度就会一直增加，这样就可以给火箭规划一个最短的路线，然而，在实际操作中，由于火箭的有效载荷仅有以探测器为主体的极小一部分，探测器与火箭本体脱离的时间越长，那么所需要的燃料就会越多，那么无效的能源消耗率将越大，所以为了尽可能地减少因携带过多燃料、以及推进大质量火箭本体带来的无效负荷，所有火箭发射都是尽可能缩短探测器与火箭分离时间，也就是说尽快地使探测器进入预定轨道并达到相应逃逸速度。

当探测器分离后，就可以应用惯性、引力弹弓效应等进一步减少燃料消耗，探测器有效的燃料加载，将留在推动探测器几次关键的变轨上面，“好刚用在刀刃上”。

否则，如果燃料供应不上去，即使火箭发射成功，在后续的探测器飞行过程中，又会有脱离预定轨道或者坠毁的风险。

“天问一号”的飞行轨迹

在刚才的分析中，无论是大冲年还是小冲年，我们在计算火星和地球的距离时，采取的都是二者的直线距离。

而在探测器跟随着火箭从地球发射，然后再到一定的轨道处与火箭分离时依靠惯性飞行，它所经历的路线肯定不是直线，而是一种弧线或者抛物线。

从目前来看，将探测器从地球发射到火星，主要有三条航线：

第一条是冲点航线，也就是探测器不是直接飞行火星，而是先向太阳飞行，利用太阳的引力弹弓效应，给探测器提供超强的动力。

然后进行适当的姿态调整，即可再反方向朝着火星行进。

这种方式的优点是速度最快、所需时间最短，缺点也非常明显，即行进路线最长、经过的星际空间环境最复杂、不可控因素最多、难度最大。

第二条是快速合点航线，主要是利用燃料“硬驱动”的方式，在探测器飞行途中持续供应燃料，推动探测器也持续改变航线，从而获得最佳的捷径。

它的优点是路程最近、所需时间较少、安全性也较高，但致命的缺点就是耗费燃料量太大，经济性最差，通常不被科学家们所选择。

第三条是霍曼转移轨道航线，这是一条首尾分别与地球和火星相切的巨大椭圆形轨道，在探测器运行过程中，只需要两次较大规模的变轨操作，其中一次是推动探测器从地球低轨升至高轨的转移轨道，第二次是到达火星轨道之后，通过转移轨道降速行进到绕火星运行的低轨道。

这个航线的优点是最节省燃料，同时飞行的难度最低，成功率最高，唯一的缺点是所需的时间最长。

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“天问一号”采用的正是上述第三种方案，也是最常用的霍曼转移轨道航线，由于发射时机是火地相合（距离最远）时，这个时期探测器除了通过燃料推进之外，还会有一部分的地球公转线速度的加持。

所以它在摆脱地球引力时的速度可以达到30公里每秒，而通过这种转移轨道的航线，探测器所行经的总路程要达到近5亿公里之遥，所以换算下来，“天问一号”从地球到达火星的总时长，也得需要200天左右，这就是为何需要经过这么长时间到达的原因。

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