火星探测器轨道优化的设想　　

潼南中学校：全辉   指导老师：张勇　　

摘  要：本文受美国发射宇宙空间探测器时采用了行星引力加速探测器的思维的启发，提出在发射火星探测器时利用月球引力来加速探测器的构想，并进行了理论论证和轨道设计。该方案为火星探测器的发射节省了燃料、空间和质量，从而可以增加更多的载货量，具有一定的研究价值。　　

关键词：引力加速、火星探测器、轨道设计　　

一、引言　　

随着空间技术的发展，人类日益渴望登上火星这片神圣的土地。为此，美国早在上世纪六七十年代便开始了登陆火星的准备，并向火星发射了勇气号、机遇号、凤凰号、好奇号等火星登陆车。然而与登月工程相比较，火星登陆的过程更为漫长，火星车的征程也更为艰险，所需燃料也自然更多，技术难度更大。如何有效地减少燃料的体积和质量来增大载货量便成为广大科研人员遇到的难题。　　

我校科谱兴趣小组在研究探测器发射时了解到：美国在发射许多宇宙空间探测器时采用了行星引力来为探测器加速，此举不仅节省了燃料，还提高了探测器的飞行速度。目前已经飞到太阳系边界的旅行者1号、旅行者2号、先驱者号等，都曾借助过行星引力来为自己加速。那么，在发射火星登录器时能否借助月球引力来为自己加速呢？这或许是可行的。　　

一、加速原理　　

那么，我们就可以发挥我们的想象，将微观背景换成宏观背景：将大球B换成月球，将小球A换成火星探测器，将A、B球间的弹性碰撞换成火星探测器与月球间依靠引力的“碰撞”，其情景如图2所示：　　

二、轨道设计　　

这里以太阳为参考系，当火星探测器从月球旁边略过的时候（如图3所示），探测器进入月球引力范围（图示A点附近），即被月球“俘获”，并在月球引力作用下加速，沿着近月轨道飞行。当火星探测器从A点沿B点向C点运动的过程中，就会在月球引力牵引下沿着月球运动方向加速。当探测器运动到对月球做离心运动的C点附近时，控制探测器点火加速，即可摆脱月球引力，以更高的速度飞离月球，驶向火星。　　

我们将这个图景进一步扩大，把它想象成一次地球与火星之间的星际旅行。我们可以将这一星际旅行情景简化为如图4所示。火星探测器经过点火升空后飞到月球附近，在进行点火矫正后进入月球引力范围，即被月球“俘获”。当探测器飞到A点附近时即可实现一次低燃料消耗的引力加速，当探测器到达B点时再次点火加速，探测器将做离心运动飞离月球驶向火星（从而实现了探测器在低耗能的情况下以更大的速度飞向火星的目的）。当探测器飞到火星引力范围时，在火星上方点火制动，探测器将被火星“俘获”，进入绕行轨道，就可以准备火星探测器的软着陆了。　　

三、结束语　　

     利用月球引力来加速探测器的优点在于能为航天器节省很多燃料，从而不仅能够尽可能多地腾出空间增大载货量，还能实现探测器的低成本加速。这里的月球既是探测器的“停泊点”，又是它的“加速器”，一定程度上实现了牵引探测器飞向火星的目的，为火星探测器的发射起到了很好的辅助作用，可以减少火星探测器发射的技术难度，具有一定的研究和应用价值。