【地科小擂台】衝衝衝衝進火星大氣層！

林彥興

接下來幾週，毅力、天問與希望號三艘探測器將相繼抵達火星，前兩者還將進行緊張刺激的火星 EDL，即進入大氣層（Entry）、下降（Decent）與登陸（Landing）。整個 EDL 的過程中，探測器需要在劇烈變化的環境下完成控制姿態、拋棄隔熱盾、開啟降落傘、點燃著陸火箭......等等多項不同的操作。而且這些操作只要有一點點閃失，數年心血和幾億美金的科技結晶就會化為烏有，因此 EDL 常被工程師們稱為「恐怖七分鐘」。

那麼問題來了，我們知道這些探測器是由類似「霍曼轉移軌道」的方式從地球前往火星的。這個橢圓軌道的一端接著地球軌道，另一端則接著火星的軌道。如果我們知道探測器離開地球時，相對於太陽的速度大約是每秒 33 公里，那當探測器抵達火星時，會以多快的速度衝進火星的大氣層呢？

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註：算出來之後可以上 NASA 的網站看看你算出的答案與實際上探測器進入火星的速度有沒有一樣。如果沒有，這代表著什麼呢？

解答
如上禮拜所說，火星探測器通常採用類似霍曼轉移軌道的方式抵達火星。我們可以利用力學能（動能加上重力位能）守恆，計算出當探測器到達火星時，它與火星的相對速度。而隨著探測器離火星越來越近，火星的重力場也會讓探測器持續加速。因此探測器進入火星的速度，就應該是它們軌道上的相對速度，加上火星的逃逸速度，算出來大概是 7.6 公里/每秒。

但如果你真的去查好奇號、機會號這些探測器就會發現......咦？怎麼數字不一樣，而且不同探測器進入火星的速度可以差這麼多？ 一言以蔽之：因為探測器軌道的設計遠沒有這麼簡單。火星與地球的軌道本來就不是正圓形，探測器發射的時間不同，兩顆行星的相對位置也會有所差異，選用的軌道也會跟著改變，探測器進入火星的速度也就有所不同。進入火星的速度改了，探測器所受到的加速度、氣動加溫等等也會跟著更動......可謂一環扣一環、牽一髮動全身。太空探測的困難，由此可略窺一二。