馬斯克的特斯拉跑車，真能到達火星嗎？
作者：李會超（中國科學院國家空間科學中心）
目前，一枚體態巍峨的火箭正矗立在美國肯尼迪航天中心的39A發射架上，靜待它的第一次飛行。曾經從39A發射架起飛的土星-5型火箭和阿波羅11號飛船，實現了人類第一次登上月球的壯舉。而如今即將從39A啟程的這枚火箭，也將創造新的紀錄：一旦發射成功，這種被稱作「獵鷹重型「的火箭將會成為目前正在服役的火箭中運載能力的佼佼者。
矗立在發射架上的獵鷹重型火箭
這種脫胎於獵鷹9號技術的新火箭，將成為SpaceX創始人埃隆·馬斯克移民火星夢想的先行者。其強大的運載能力足以將16.8噸重的航天器送入前往火星的軌道。由於本次發射主要目的是驗證火箭性能，同時發射也存在較大風險，獵鷹重型火箭首飛時將不會搭載任何傳統意義上的航天器，而是會將馬斯克的特斯拉Roadster跑車送入太空之中。對於本次發射，有媒體報道這輛跑車的最終目的地將是火星。但事實上，它真的能到達火星嗎？
去火星，該怎麼走？
在描述地球人與火星人展開世紀大決戰的科幻小說《星際戰爭》中，英國作家赫伯特·喬治·威爾斯設想，要向火星發射火箭，首先要等待火星和地球之間的距離由於二者的公轉而到達最小。之後，將火箭瞄準火星的方向並發射，就可以多快好省的到達火星。
星際戰爭中火星人大戰英國皇家海軍的場景
然而，這種源自我們日常生活經驗的設想如果能基於現有技術實現的話，行星科學家和航天工程師們的日子就好過多了。在太空中，要想真正到達火星，需要考慮的問題要複雜的多。飛船在設法掙脫地球的引力後，還要考慮在太陽引力的作用下，沿著一條合適的路徑從地球附近轉移到火星附近。
1925年，德國工程師瓦爾特·霍曼給出了從距離中心天體距離不同的圓軌道間相互轉移的最省時省力的途徑：飛行器可以在較低的圓軌道上（下圖中綠色軌道）進行加速（A點），進入一條橢圓軌道上（下圖中黃色軌道）。這個橢圓軌道的兩端分別與較低的圓軌道和較高的圓軌道（下圖中紅色軌道）相連。當飛行器到達橢圓軌道與較高圓軌道相切的位置時（B點），需要再次加速，以進入較高的圓軌道。
這種被稱作「霍曼轉移軌道」的路徑在航天飛行中得到了廣泛的應用。如果把綠色的軌道視作地球公轉軌道，將紅色軌道視為火星公轉軌道，那麼黃色的霍曼轉移軌道就是從地球去往火星的太空路徑。
除了去往火星外，火箭發射在地球同步軌道工作的衛星時，也會採取類似的方法。火箭一般不會直接將衛星發射到距離地面三萬六千公里的地球同步軌道上，而是先將衛星送到一條橢圓軌道的近地點上，再由衛星在橢圓軌道的遠地點上打開發動機加速，進入靜止軌道（這個加速也可以由火箭上面級完成）。這條橢圓軌道一般被成為地球同步轉移軌道（GTO軌道），同樣屬於霍曼轉移軌道的具體實現，只是中心天體變成了地球。
滯留在轉移軌道上的紅色跑車
在太空中，一旦圍繞某個中心天體飛行的軌道確定了，飛行器的飛行速度也就同時確定了。開普勒和牛頓聯手保證，你的飛船既不會早點，也不會延誤。如果沿著霍曼轉移軌道從地球飛到火星，總共需要度過大約8個月左右的時間。雖然我們已經通過國際空間站的運行，掌握了一些宇航員長期在太空中工作生活的經驗，但處於地球磁層保護下的國際空間站，所受的輻射水平比去往火星的轉移軌道上要低不少。因此，去往火星的慢慢長路中，如何保護宇航員免受來自太陽高能粒子和宇宙線的輻射，是需要首先解決的問題。
在確定路線後，如果隨便選擇一個良辰吉日就進行發射，可能會使得這段旅程的結局變得十分尷尬：飛船成功到達了火星軌道，卻沒有發現火星的蹤影。霍曼轉移軌道的只能保證成功地到達火星的公轉軌道，然而火星此時可能處於軌道上的任意一個位置，並不一定與飛船相遇。因此，必須選擇在地球和火星的相對位置合適時發射飛船，才能保證成功到達火星。這樣的發射時機，大約每26個月才會出現一次。錯過之後，就必須等待下一次發射窗口。例如，原計劃於2016年3月發射的美國「洞見」號火星探測器，因為發射前探測器上負責探測火星地震和內部結構的SEIS儀器出現問題，不得不將發射時間推遲到了2018年5月。
飛船選擇合適發射窗口，與火星「相遇」
飛船發射時機選擇不當，未能到達火星
作者本人搭乘「洞見號」去往火星的登機牌
那麼，馬斯克的特斯拉跑車究竟能否到達火星呢？獵鷹重型火箭第一級和助推器能夠提供強大的起飛推力，第二級具有在軌道上多次開機和長時間工作的能力，能夠執行較為複雜的變軌任務。因此，幫助跑車掙脫地球引力和進入霍曼轉移軌道的工作，可以由火箭的多次點火變軌完成，不用跑車自己「操心」。然而，由於獵鷹重型火箭並沒有選擇今年5月到來的地球-火星發射窗口發射，在霍曼轉移軌道的另一頭，跑車也許並不能與火星相見。而即便火箭選擇了合適的發射窗口，跑車到達火星後，也沒有動力減速以使火星捕獲它。因此，這輛跑車很可能將永遠停留在轉移軌道上，在地球與火星軌道間來回穿行。
等待發射升空的特斯拉跑車，圖片兩側是獵鷹重型火箭的整流罩
認真的讀者可能會發現，飛行器到達火星後的減速似乎與我們上文所說的在B點的加速相矛盾。實際上，由於探測火星的飛船的最終目的是圍繞火星運行或者登陸火星，而非在火星軌道上圍繞著太陽公轉。要使飛船被火星重力捕獲的話，需要進行的操作是減速而非加速。
去往火星的其他選擇
要實現殖民火星的夢想，每隔26個月才能進行一批發射顯然不是好消息。同時，從火星返回地球的飛船同樣要受到發射窗口的限制。好在軌道力學家們的新想法有希望解決這個問題。2014年，軌道力學家們提出了一種名叫「彈道捕獲」的去往火星的新方法。這種方法仍然要使用霍曼轉移軌道，將飛行器從地球轉移到火星軌道上去。然而和現有方式不同的是，飛船和火星無需在轉移軌道的另一頭相遇。飛船隻需要進入火星繞日公轉的軌道，再通過變軌操作等待火星與自己接近，最終被火星的引力捕獲。
採用現有方式去往火星時，飛船在火星附近的減速是個風險較大的操作，減速時機和發動機在減速時的工作時間，必須把控的非常精巧才能確保成功。採用彈道捕獲法時，飛船在靠近火星後將「自動」被火星捕獲，無需再進行減速。據估算，彈道捕獲法能夠將去往火星的燃料消耗降低25%左右，從而能降低發射成本，或將空餘出來的重量用來搭載有效載荷。 這種方法唯一的缺陷在於飛行時間的延長。如果搭載宇航員的載人飛船採用這種辦法去往火星，飛行時間將比採用現有方法延長几個月。目前，彈道捕獲法還停留在理論階段，實際成效還有待在任務中得到驗證。
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