火星，是一颗神奇的红色星球。从地球上看去，它在夜空中闪烁着美丽的朱红色，引诱人们前去一探究竟。然而，地球到火星的距离非常遥远。对古人来说，它只存在于神话传说中，是一片可望而不可即的神秘土地。

火星和地球一样，围绕着太阳公转。因为和地球公转一圈所需要的时间不一样，每过26个月，它才会运行到和地球最近的距离。此时太阳、地球、火星三者位于同一条直线上，这种现象叫做“冲日”，简称“冲”。离得特别近的时候，就叫“大冲”。

在太阳系八大行星中，地球位于靠近太阳的第三位，火星则位于第四位。如果从宇宙中鸟瞰，这两颗星球算得上是“宇宙邻居”。但对人类来说，这两家“邻居”，却住得一点都不近。

迄今为止，人类涉足过的最远的地方，是地球的卫星——月球。然而，即便是火星离地球最近的“大冲”的时候，地球到火星的距离也有将近5700万公里，是到月球距离的150倍。所以，想要飞到火星，对人类来说是个史无前例的艰巨任务。

当火星、地球等天体运行到了合适的位置，有了合适的发射窗口时，就可以按照计划好的轨道进行火星探测了。按理来说，太空就像一个自由的游戏沙盘，飞到火星的路线也有无数种。那么，在无数种航线中，哪种最好呢？

如果把一个小秤砣系在绳子的一头，用手甩动绳子，秤砣就会被绳子拉着在空中画圈，这种圆形的运动轨道，在物理上叫做圆周运动。航天器在太空中环绕地球时，也像被绳子系着的秤砣一样，围绕地球进行圆周运动。不同之处在于，牵拉着航天器的不是一根有形的绳子，而是无形的万有引力。当航天器飞出大气层之后，就受到地球万有引力的约束，限制它在地球附近的轨道上飞行。这种离地球比较近的轨道，叫做航天器的“停泊轨道”。

但是，要想飞到火星，仅仅在地球周围环绕是不行的。在地球附近飞行的轨道高度通常只有数百公里，而哪怕在火星和地球相距最近的“火星大冲”时，火星到地球的直线距离也有将近5700万公里。要想探测火星，需要完成从“环绕地球”的轨道到“环绕火星”的轨道之间的转变。这个中间的艰难过程，被称作“地火转移轨道”。

那么，如何设计地火转移轨道，才能让停泊在地球附近的宇宙飞船最有效率地行驶到火星呢？

你可能会想：既然火星冲日时离我们最近，那么从地球发射一艘火箭，直接沿直线飞过去，不是最快捷吗？很遗憾，这虽然并不违反科学理论，但从现实角度考虑，是不可能做到的。

不管是发射机器人探测车，还是发射能载人的太空舱，我们都需要火箭提供动力。但是在制造一架火箭的时候，发动机能推动多少重量，能携带多少燃料，都严重受到工业水平的限制。

在我们在电视上经常看到的太空任务中，火箭都是一次性用品。它所具备的推动能力，只够刚好把太空舱送到大气层外，就完成使命，自动脱落了。制造出一台飞到月球的火箭，几乎就是目前工业水平的极限。想要制造一架火箭，能够从地球一直推进到火星？这远远超出了人类的工业水平，可以说是不可能完成的任务。

所以，科学家发挥才智，找到了一条最省力又快捷的路线。回到开头的例子，挥舞绳子系着的秤砣，如果速度太快，秤砣可能挣断绳子飞出去。这是因为秤砣运动的速度超过了绳子最大弹力的极限，绳子已经拉不住它了。在太空中，如果宇宙飞船的速度足够快，超出地球引力所能牵引的极限，也会像挣脱的秤砣一样，从圆周轨道上“甩”出去。这时它飞行的轨迹不再是圆形，而是一个椭圆。而且速度增加得越多，椭圆就越扁。科学家通过控制飞船加速，可以让椭圆轨道的最远点刚好处在火星附近，航天器飞到最远时，就能正好和火星相遇。

这种转移方式的最理想状态，叫做“霍曼转移”，非常节省时间和能量。它属于一类叫“合点航线”的飞行轨道，顾名思义，就是当航天器从地球出发的时候，火星处在和地球相距最远的合点附近。不过，虽然这种方案的飞行时间短，但是因为火星和地球的运行，要想从火星回到地球，需要在火星上呆一年半左右，才能等到适合返航的时机。

为了缩短等待的时间，在载人航天任务中，可以采用“冲点航线”的轨道，也就是航天器从地球出发时，火星位于离地球最近的冲点附近。虽然这种方式在飞行途中需要花更长时间，但宇航员只需要在火星上呆一到三个月，总体来看，整个任务的时间还是缩短了不少。

在冲点航线中，我们还可以借助太阳系中的天体加速，缩短飞行时间，这就是神奇的“引力弹弓”效应。

在生活中我们知道，如果在桌面上放一颗小钢珠，用磁铁吸引它，小钢珠就会朝磁铁的方向加速滚过去。这是因为磁铁给了它一个吸引的力，让它的速度增加了。类似地，当航天器经过天体的附近时，也会受到它们的吸引，速度骤然增加。

航天器受到“助推”的时间相对来说很短暂，从整个轨迹来看，它就像是被一股无形的引力突然弹射出去一样。金星、月球和地球，都能够被当作探火航天器“引力弹弓”的来源。当这些天体运行到合适的位置时，从地面发射探测火星的航天器，就能恰好在路上被它们助推，最大程度地节省能量。

经过地火转移轨道，宇宙飞船就进入环绕火星的飞行轨道了。对于好奇号、机遇号这样“用完即弃”的一次性探测器来说，航天器可以直接降落在火星表面。在载人任务或者需要采样返回的任务中，航天器将派出登火舱落到火星表面，其余部分仍然围绕火星运转。等待有一日任务完成后，接上从火星表面返回的登火舱，再飞回地球。

这样，只需要两次短暂的加速，就能抵达火星。这种方法巧妙地借助地球公转的速度和太阳的引力，大大降低了对火箭的要求。在未来的火星之旅中，这条接近霍曼转移的路线，将起到非常重要的作用。