《科学画报》
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如何发射一枚探测器
2020-11-02 13:34:002019年1月3日，嫦娥四号月球探测器在月球背面的预定着陆区顺利着陆，成为首颗成功软着陆月球背面的探测器，并通过鹊桥中继星传回了世界上第一张近距离拍摄的月背影像图。
随着嫦娥四号的成功着陆，中国的嫦娥探月任务已经成功地完成了“绕”“落”，下一步目标就是“回”，要实现无人自动采样返回。
这是来自中国探月工程的好消息。再来看看火星探测方面。
面对国际上对火星的探究热潮，就在三年前，中国正式批准立项了火星探测任务，计划在2020年火星探测的最佳窗口时间发射，一步实现对火星的环绕和着陆巡视探测。
看到月球和火星方面的好消息，小朋友们是不是按捺不住想要去外星了?如果你有一枚探测器，你最想让它去看看哪颗天体呢?为了能顺利到达目的地，什么时候发射比较好?探测器从地面发射出去之后，要怎样到达目标天体的轨道呢?
巧妙的霍曼转移轨道
不同的发射任务，发射窗口不同，也就是说，允许航天器发射的时间范围不同。
如果航天器只需进入地球的任意指定轨道，那么几乎可以在任一时间发射。但是，如果航天器必须与在轨的空间站或其他航天器会合，那么发射的时机最好选在目标航天器的轨道面刚好通过发射点上空的时刻，这时，两个航天器在同一个轨道平面中飞行，比较容易会合。
如果要抵达其他行星，为了节省燃料，可以使用神奇的霍曼转移轨道。
霍曼转移轨道是一种变换航天器轨道的方法。沿着霍曼转移轨道，航天器首先进入一个低轨道，并且在这个低轨道的近拱点加速，进入一个椭圆形的转移轨道，然后在这个转移轨道的远拱点再次加速，进入目标轨道。由此可见，将航天器从低轨道送往高轨道，只需要两次引擎加速就可以完成：第一次加速，让航天器从地球轨道进入转移轨道;第二次加速，让航天器从转移轨道进入目标行星轨道。两次加速之后，航天器移动的角距达到180度。
如何确定发射窗口
我们以前往火星的探测器为例，看看如何运用霍曼转移轨道来确定发射窗口吧!
发射火星探测器的目标，是将它从地球轨道送往火星轨道，那么为了节省燃料，最好让发射器在进入火星轨道时，刚好火星也到达同一位置。
沿着霍曼转移轨道，探测器从地球到火星轨道需要约260天，移动的角距将达到180度。在这260天里，火星自身运行的角距约136度。这就出现了44度的角度差。所以，为了让探测器与火星在轨道上相遇，需要在火星运行到地球前方44度的时候进行发射。火星处在这一位置的时间范围，就是火星探测器的发射窗口。
两次发射窗口之间的间隔，又叫会合周期。对于火星来说，会合周期也就是两次运行到地球前方44度的时间间隔，是26个月。太阳系八大行星中，会合周期最长的行星就是火星，因此火星的发射窗口十分难得;其次是金星，会合周期为584天;水星发射窗口出现的机会最多，每隔116天就出现一次;其他行星的会合周期基本在一年左右。
发射窗口要有多精确
航天器的发射窗口一般分为年计窗口、月计窗口和日计窗口。年计窗口，是指确定某年中连续发射的月份，适用于像哈雷彗星探测器这样的行星际探测任务;月计窗口，是指确定某个月内连续发射的天数，适用于火星探测等行星探测任务和月球探测任务;而日计窗口，是指确定某天内可以发射的时刻范围，适用于卫星、空间站等的发射。
还有一种窗口称作零窗口，是指在预先计算好的发射时间将航天器发射升空，不允许有任何延误或变更。目前，中国在西昌卫星发射中心发射升空的所有探月卫星，都实现了零窗口发射。
一般来说，对于卫星和导弹的发射，只需选择日计发射窗口。如果是发射星际探测器和航天飞机等，通常要同时选择年计、月计和日计发射窗口。但航天器最终的发射时间总是由日计发射窗口确定的。以嫦娥四号为例，考虑到地球和月球之间相互运动的关系，嫦娥四号的发射窗口设定在2018年12月8日、9日两天，每天2个发射窗口，一共4个发射窗口，每个窗口的范围都很短，只有短短几秒钟，可见嫦娥四号的发射窗口设定得十分精确。
运载火箭没有太严格的发射窗口限制。不过，在进行运载火箭发射试验时，为了便于观察和跟踪测量，希望使反射阳光的箭体与背景天空形成较大的反差，因此一般选在傍晚或黎明前发射。
文/左文文
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