探测地外星球，探测器是沿直线飞过去的吗？霍曼转移轨道了解一下

在古希腊数学家欧几里得所著的《几何原本》之中记载着这样一个公理：两点之间线段最短。

《几何原本》是现代数学的基础，“两点之间线段最短”更是大家都认同的观点，那么人类在发射探测器去往其它星球的时候是不是也遵学着这一公理呢？探测器是不是沿直线飞过去的呢？在广袤的宇宙之中，天体之间的距离是十分遥远的，在太阳系之内距离地球最近的行星就是金星，它与地球的距离大概在4050万千米左右，显然这是直线距离。直线距离都已经如此遥远了，如果再绕远路，探测器什么时候才能到达目的地呢？所以看起来探测器的确应该是沿直线飞过去的，但事实上并非如此。

目前人类发射的所有航天器使用的都还是化学动力，所以在探索远距离目标的时候，最需要考虑的并不是距离，而是如何省力。

任何具有质量的物体都是具有引力的，只不过平日里我们所接触的物体质量都太小，所以感受不到，但如果物体的质量大到宇宙天体的级别，引力作用就十分明显了，比如地球。所以发射探测器的过程实际上就是与引力对抗的过程，要想与地球引力实现平衡，让航天器围绕地球运行而永不坠落，速度就必须要达到每秒7.9千米的，这也是我们常说的第一宇宙速度。而要彻底摆脱地球的引力束缚，让航天器去探索其它星球，就必须要实现第二宇宙速度，也就是每秒11.2千米。

现在我们来思考一个问题，如果一个航天器的速度超越了第一宇宙速度，又没有达到第二宇宙速度，它会如何运动呢？

它依旧会围绕地球运动，只不过它的轨道不再是一个圆形，而是会趋向于椭圆，这个椭圆形的轨道拥有明显的近地点和远地点，而且航天器的速度越快，这个椭圆形的轨道就越椭，也就是说近地点与远地点相差的距离就越遥远。航天器运动速度的增加会使轨道由圆形趋向于椭圆，记住这一点，然后我们继续来说下面的内容。地球围绕太阳运动，而在地球的外侧，火星也在围绕太阳运动，相比之下，地球的轨道是一个小圆，火星的轨道是一个大圆。

怎样能够让探测器从地球的小圆轨道上跑到火星的大圆轨道上呢？

最简单粗暴的方法，就是在火星与地球运动到最近距离的时候直线飞过去。不过这样做要花费不小的力气，它意味着我们要彻底摆脱地球的引力束缚，从而达到第二宇宙速度。有没有什么省力的办法呢？有，就是利用霍曼转移轨道。霍曼转移轨道最早是在1925年由德国的工程师霍曼所提出的，当时人类还没有飞往太空的能力，而在过去了将近100年之后的今天，我们所发射的航天探测器依旧在利用这一理论。那么到底什么是霍曼转移轨道呢？

假设现在我们有一个航天器正在地球轨道上围绕地球运动，此时我们让这个航天器进行一次加速，会发生什么呢？它的轨道将会由圆形变为椭圆。

我们知道这个航天器的速度越快，它的轨道就越椭，远地点就离地球越远，而当这个椭圆足够椭的时候，它的远地点就会与火星轨道发生相切。不过这并不意味着这个航天器就会跑到火星轨道上去，如果我们不管它，它在到达与火星轨道相切的远地点后还是会回来的。怎么才能让它留在火星轨道上呢？就是在它与火星轨道相切的时候再进行一次加速，于是它就能够跑过去围绕火星运行了。当然，这一切都有一个前提条件，就是航天器轨道与火星轨道相切时，火星恰好也运行到了相同的位置。

其实要保证火星恰好运行到相同的位置也并不难，只需要通过简单的计算就可以确定。

地球的公转周期为365天，而火星的公转周期为687天，所以计算可知，这样的轨道转移时机每780天就可以出现一次。现在你明白为什么各个国家发射火星探测器的时间都比较集中了吧，因为一旦错过了发射时机，就要再等两年多才能够再有机会发射。原本要花费大量的能量将航天器推升到第二宇宙速度才可以前往火星，现在只需要利用这个椭圆形的霍曼转移轨道做两次加速就可以让探测器跑到火星上去，的确是省了大力气。

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