去往火星的旅行真的是每两年才能有一次吗？
旅行并不是说只能每两年一次，但那时候的条件要好得多，基本上人们是不考虑其他时间的。
现在存在着不同类型的地球-火星任务轨道，我们并不是在地火接近时才开始发射，这牵涉多种因素，包括宇宙飞船是否会返航、是否有来自金星的引力协助以及运载火箭的运行能力等。然而，对于典型的单程任务，如把探测器或探测车送往火星，我们确实是在火星和地球相当接近的时候发射的。
火星和地球处于相对位置时距离最近，然而我们实际上不想在这个时间点发射，我们想在这之前发射。
图解：地球与火星处于相对位置（图源：NASA）
为了使用最少的燃料，我们想使用最小的能量转移轨道，霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit，HTO）做到了这一点。我们的宇宙飞船从地球轨道出发，在霍曼转移轨道的近拱点通过燃烧加速进入椭圆形转移轨道，抵达远拱点后再加速进入另一个轨道，最终使宇宙飞船转移到火星轨道上，最后在轨道上刚好形成180度。
所以，我们的目标在于确定发射的时间，这样当飞船到达目的点时火星也处于相同的位置。与地球相比，火星的轨道更大，移动相同角度的距离需要更多的时间，这意味着当我们发射宇宙飞船时，火星的位置需要处于地球之前。
我们计算我们的宇宙飞船所处轨道的周期，大约是520天。我们的宇宙飞船将运行半个轨道，这大约需要260天。火星的公转周期是687天，在260天里火星移动的角度为136度。这意味着发射宇宙飞船的最佳时间是——当我们发射宇宙飞船时，火星应在地球之前，且与地球的夹角为44度(180-136度)。这也就是说我们需要在火星和地球最接近的三个月之前发射宇宙飞船。
图解：到火星的霍尔曼转移轨道，地球、火星和宇宙飞船均为逆时针方向运行（图源：NASA、Forbes）
这里有一个表格，显示了火星任务的样本数字。
（图源：mydarksky）
去火星的旅行真的只能每两年一次吗？如果确实如此，那是为什么呢？
另一位回答道：
我在本科一年级写了一篇关于这类事情的文章，所以我主要使用研究得到的数据并从中推算出结果。
并不是说每两年我们才能发射一次，而是说，要想使用霍曼转移轨道，只能每两年一次。它是从第一个轨道开始，通过两次加速变化，最终使物体到达与出发点相差180度角的目标轨道。这就是事情的关键。你需要知道，通过使用霍曼轨道，从出发点，到最终抵达火星的位置，就会刚好处于太阳的另一边，也就是出发点的正对面。当然，这里也有其它轨道可以到达火星，但它们更为复杂。使用霍曼转移轨道只需要两次燃烧加速，一次是为了离开第一个轨道，一次是为了到达第二个轨道，这最主要优点之一是节约能源，并且也是最高效的太空旅行方式之一。
计算时间和角度:
正如罗伯特·弗洛斯特所指出的，通过这种方法从地球到火星的时间大约为260天，地球需要在轨道上处于火星之后且与其夹角为44度。要解决这个问题，你只需要使用开普勒第三定律（Kepler’s 3rd law）来计算航天器从地球到火星的轨道。
如果你取轨道半长轴（a），半长轴的立方将和轨道周期的平方成比例。
开普勒第三定律：T^2=k(a^3)
如果我们使用一年的时间值和一个天文单位(AU)的距离值，我们可以把k=1代入到上面的方程中得到:
开普勒第三定律：T^2=a^3 (将年和AU看作一个整体单位)
从地球到火星的霍曼转移轨道，其半长轴是地球绕太阳公转的轨道半径和火星绕太阳公转的轨道半径的和的一半。地球轨道半径为1AU，火星的轨道半径为1.524AU，所以霍曼转移轨道的半长轴为(1.524+1)/2=1.262AU，把这个值代入第二个方程，得到T=1.42(年)，这是整个霍曼轨道的运行时间，而要到达轨道最远的焦点即到达火星运行轨道，只需要该时间的一半，即0.71年，也就是259天。
至于这个44度角，火星轨道周期为1.88年，而通过前面的计算我们可以知道飞船从地球出发到达火星的时间是0.71年，该时间占火星轨道总周期的37.8%。这就意味着，在这0.71年里，火星运行的角度为37.8%*360=136度。我们之前也提到过，飞船出发，最后到达太阳的另一边，即与到达点与出发点相距180度，这就意味着当航天器离开地球时，火星必须在地球之前且与其夹角为44度，才能形成完美的霍曼转移轨道。
图1-显示了霍曼转移轨道将飞船转移到火星的情况。可以看出，火星在轨道上与达到点的角度为136度，而地球与到达点的角度为180度。
但这里存在一个问题就是，火星和地球都被当做是在完美的圆形轨道上运行，但事实并非如此。
改善的方法:
问题是，虽然地球的轨道非常接近一个完美的圆，但火星的轨道的圆并不正，且偏心率更大。
图2-显示了火星轨道的偏心率和不同区域的运行时间。
从太阳到火星的距离在1.38AU到1.67AU之间，相差了0.29AU，超过了地球到太阳距离的四分之一，这个数字并不小。这意味着发射时的时间角度会根据火星在轨道上所处位置不同而有很大变化。作为参考，地球的轨道变化大约在0.98AU到1.02AU之间，相比而言小很多！
所以代入开普勒第三定律的数据是需要随着时间而变化的，而结果也不是一定为259天和44度，这两个数只是平均值。
我在论文中计算了在未来30年左右霍曼轨道可能成功运行的时间，没有在模拟中过多考虑其他细节，但考虑了轨道大小的变化并把它们用图表表示出来。
希望你能看到这些图，但最上面的那张图显示了从现在到2042年的每一天的火星方位（橙色线）和其中霍曼轨道可能成功运行的时间（蓝色线）。
左下角显示的是飞船到达点和出发时火星位置之间的角度差（平均136度）。
左下角显示的是飞船从地球到火星所需的时间（平均259天）。
下面两个张图上的每一个点都是完美的霍曼轨道，所以我们可以清楚地看到，目前我们正在为地球到火星的短距离飞行留下一个非常好的窗口期，直到2030年我们才能再次发射。
下表是用来绘制这些图表的数据，只留下了霍曼轨道可能成功运行的时间。
这些数据都是以地球和火星的固定参考点为基准。如果你把注意力放在最左边的日期栏，你会发现，在大多数情况下，每隔两年就有一次霍曼轨道可能成功运行的最佳发射日期。
总结
所以没错，要想到达火星，如果使用霍曼转移轨道，我们确实只能每2年发射一次，但是其他的太空旅行方法也是可以的。回顾图1，如果要形成一个比火星轨道更大的霍曼转移轨道，该轨道依然会经过火星轨道，只不过它与火星轨道的交点就不再是上述与出发点相隔180度的地方了，这意味着只要做出相应的调整，我们其实可以在任意时间转移轨道。霍曼转移轨道的优点在于航天器在每条轨道上的速度变化很小，计算非常简单，而在其它转移轨道上，所需能量更多，计算也更为复杂。
作者: quora- Robert Frost
FY: JuJunia
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