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为何星际旅行不能说走就走

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每一个大技术变革时代,总会带来交通工具的巨大更新。轮船、飞机和载人飞船让人类的足迹从地表延伸到了太空。尤其是载人飞船和与它配套的运载火箭等技术的出现,让人类有了挑战地球重力的能力。

但离开地球引力的束缚后,星际旅行也并非是一片坦途。逃离地月系统后,我们将面对的是更加复杂的引力世界,既有地球质量30多万倍的太阳引力,也有木星、土星等巨行星带来的引力摄动,甚至连太阳光照射到飞船上造成的光压,都需要详细考虑——这会对星际旅行飞船的轨道产生很大影响。

当3个物体在引力作用下自由移动时,它们的轨道就完全无法预测,没有准确模型能够描述,只能不断给出限定和假设,尝试通过各种数值法去逼近,这就是著名的“三体问题无解”。而实际上,太阳系内有各种天体带来的挑战,例如恒星、行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、空间碎片、星际分子云,甚至人类尚未发现的天体等,这种环境下飞船必须进行频繁的轨道修正和深空机动。

星际旅行也无法实现科幻电影中的发动机启动后便“直来直去”,真实的太空旅行必须依赖探测窗口期,这主要是太阳系内天体的相对位置导致的。以地球和火星为例,地球公转约365天,火星约687天,且它们的轨道均不是正圆形。这意味着地球和火星之间的距离在时刻变化,从5500万千米到4亿千米不等。

从地球的视角来看,每隔大约780天(约26个月)就会和火星最接近一次,这叫做会合周期。如果利用这个窗口期,在二者会合发生前数月,提前发射火星探测器,就会最大程度降低对运载火箭的能力要求,提高任务成功率。目前人类的火星探测基本都遵循这个原则选择发射机会,未来去火星的旅行航班,毫无疑问也要遵循这个规律。

同样的道理,对于探测地球的另一个邻居金星而言,会合周期约为584天,上世纪60—80年代是人类探测金星的浪潮期,近40个探测任务就是遵循这个规律寻找最佳的发射窗口。

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对于更远的旅程,情况就比较复杂了。例如,水星是距离太阳最近的行星,仅88天就围绕太阳一周。尽管它和地球之间隔着金星,却是最常和地球见面(距离更近)的“邻居”。理论上讲,地球与水星的会合周期为116天,可以经常探测,但实际情况并不这么简单。

水星太靠近太阳,探测器会受到太阳引力和辐射的巨大干扰。且水星质量很小,引力主导半径也被太阳引力压缩到仅为17万千米。这对于高速冲进太阳系内部的探测器而言,直接制动刹车和被水星引力俘获难度极大,必须利用金星和地球的引力反复改变速度和方向,整个过程持续数年。综合考虑各个天体几何关系和火箭发射能力,对水星的理想探测窗口间隔远超116天,往往数年才有一次好机会。

木星和土星探测亦是如此。理论上地球和它们的会合周期较短,分别为399天(木星)和378天(土星),几乎每年都可以探测。但它们已经属于太阳系外围行星,环绕太阳平均轨道半径达到7.8亿千米(木星)和14.4亿千米(土星),这意味着探测器需要跨过漫长的太阳系空间,持续数年才能抵达。

在实际情况下,对木星和土星的探测任务依然需要借助地球、木星甚至金星的引力助推,才能最大限度降低对火箭要求,实现既定目标。以人类史上唯一的土星环绕探测器——卡西尼号为例,它在发射后第一站并非是太阳系外,而是向内飞向金星,并连续两次利用金星引力进行助推,再连续通过地球和木星引力助推最终飞抵土星,整个飞行时间长达7年。

对于太阳系内更外围的天王星、海王星、冥王星和柯伊伯带天体等,那里的太阳能已经微弱到无法用来给探测器供能,导致探测和旅行的难度进一步增加。人类甚至尚没有足够能力发射能够环绕它们的探测器,而仅能从远处飞掠。即便如此,这些“惊鸿一瞥”的任务已经造价不菲。例如,人类唯一飞掠冥王星的新视野号探测器花费就超过了8亿美元,但它只探测了冥王星和一颗太阳系边缘的小天体“天涯海角”,真正有效的观测时间仅数天。

因而,尽管地球与这些外围天体的会合周期极短(略多于1年),但距离遥远和复杂的引力环境成为现今运载火箭技术难以跨越的天堑。人类进入航天时代以来,仅有1977年发射的旅行者二号飞掠了木星、土星、天王星和海王星这四大太阳系外围行星,它在飞行过程中通过木星、土星、天王星等连续引力助推才能实现目标。这意味着它必须找到这些遥远天体的最佳几何关系,完成每一步精准借力。而这种完美的几何关系,仅约165年才发生一次,成为很多人一生都无法等到的时机。去太阳系外围行星甚至太阳系边界完成一次旅行的代价更是可想而知。人类面对强大的太阳引力桎梏,依然显得渺小脆弱。

(来源:中国国家天文)

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