太陽(yáng)系是一個(gè)被太陽(yáng)引力牢牢束縛住的天體系統(tǒng)，它最核心的組成是太陽(yáng)和八大行星，從內(nèi)向外分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。此外，還有大量衛(wèi)星、矮行星、小行星、彗星和星際分子云等天體。

地球處在太陽(yáng)系較內(nèi)側(cè)位置，與太陽(yáng)平均距離約為1.5億千米，即1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)天文單位的長(zhǎng)度。

太陽(yáng)占據(jù)了太陽(yáng)系質(zhì)量的99.9%，地球質(zhì)量?jī)H為太陽(yáng)的約33萬(wàn)分之一。由于太陽(yáng)的引力過(guò)于強(qiáng)大，任何行星的引力都無(wú)法與之較量，它們引力主導(dǎo)的影響范圍被太陽(yáng)壓縮到一個(gè)極小的空間，這就是“希爾球”。

以地球?yàn)槔?，它的希爾球半徑約150萬(wàn)千米，僅相當(dāng)于日地距離的1%。出了這個(gè)范圍，就是太陽(yáng)引力的主導(dǎo)空間。

人類(lèi)的絕大部分深空探測(cè)任務(wù)，起點(diǎn)都是地球這個(gè)太陽(yáng)系內(nèi)的“暗淡藍(lán)點(diǎn)”。它們需要先掙脫地球引力的影響，然后就必須面對(duì)強(qiáng)大的太陽(yáng)引力。

在人類(lèi)目前化學(xué)能主導(dǎo)的運(yùn)載火箭水平約束下，用最節(jié)省能量的方式戰(zhàn)勝太陽(yáng)引力并順利抵達(dá)下一行星，是選擇探測(cè)窗口的最主要原因。在具體實(shí)施方面，有以下主要幾個(gè)策略。

01

地球近鄰：緊跟會(huì)合周期

按照天文學(xué)家開(kāi)普勒總結(jié)行星運(yùn)動(dòng)得到的三大定律：行星距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)越慢，環(huán)繞一周的距離也會(huì)越長(zhǎng)，最終環(huán)繞太陽(yáng)的軌道周期越長(zhǎng)。以地球和火星對(duì)比為例，地球公轉(zhuǎn)約365天，火星約687天，且它們的軌道均不是正圓形。這意味著地球和火星之間的距離在時(shí)刻變化，從5500萬(wàn)到4億千米不等。

從地球的視角來(lái)看，每隔大約780天（約26個(gè)月）就會(huì)和火星最接近一次，叫做會(huì)合周期。

從幾何角度解釋也容易理解：假設(shè)二者都是純圓軌道，在780天內(nèi)地球運(yùn)行了2周49度角，火星運(yùn)動(dòng)了1周49度角。好比是操場(chǎng)中兩個(gè)人跑步，內(nèi)圈跑得比較快的那個(gè)人，套了外側(cè)比較慢的那個(gè)人1圈，二者再次會(huì)合。

如果利用這個(gè)窗口期，在二者會(huì)合發(fā)生前數(shù)月提前發(fā)射火星探測(cè)器，就會(huì)最大程度降低對(duì)運(yùn)載火箭的能力要求，提高任務(wù)成功率。

事實(shí)上，人類(lèi)一直以來(lái)的火星探測(cè)，就嚴(yán)格遵循這個(gè)規(guī)律，每隔26個(gè)月時(shí)間，才迎來(lái)約一個(gè)月的黃金“探測(cè)窗口期”。

同樣的道理，對(duì)于探測(cè)地球的另一個(gè)鄰居金星而言，會(huì)合周期約為584天，上世紀(jì)60-80年代人類(lèi)探測(cè)金星浪潮期間，近40個(gè)探測(cè)任務(wù)就是遵循這個(gè)規(guī)律尋找最佳發(fā)射窗口。

02

地球遠(yuǎn)鄰：引力助推窗口期

水星是距離太陽(yáng)最近的行星，僅88天就圍繞太陽(yáng)一周。盡管它和地球之間隔著金星，卻是最常和地球見(jiàn)面（距離更近）的鄰居。理論上講，地球與水星的會(huì)合周期為116天，可以經(jīng)常探測(cè)，但實(shí)際情況并不這么簡(jiǎn)單。

水星太靠近太陽(yáng)，探測(cè)器會(huì)受到太陽(yáng)引力和輻射的巨大干擾。且水星質(zhì)量很小，引力主導(dǎo)半徑也被太陽(yáng)引力壓縮到僅為17萬(wàn)千米。這對(duì)于高速?zèng)_進(jìn)太陽(yáng)系內(nèi)部的探測(cè)器而言，直接制動(dòng)剎車(chē)和被引力俘獲難度極大，必須利用金星和地球的引力反復(fù)改變速度大小和方向，直到達(dá)到理想狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程持續(xù)數(shù)年。

綜合考慮各個(gè)天體幾何關(guān)系和火箭發(fā)射能力，對(duì)水星的理想探測(cè)窗口間隔遠(yuǎn)超116天，往往數(shù)年才有一次好機(jī)會(huì)。

木星和土星探測(cè)亦是如此。理論上地球和它們的會(huì)合周期較短，分別為399天（木星）和378天（土星），幾乎每年都可以探測(cè)。但它們已經(jīng)屬于太陽(yáng)系外圍行星，環(huán)繞太陽(yáng)平均軌道半徑達(dá)到7.8億千米（木星）和14.4億千米（土星），這意味著探測(cè)器需要跨過(guò)漫長(zhǎng)的太陽(yáng)系空間、持續(xù)數(shù)年才能抵達(dá)。

如果僅是能短時(shí)間觀測(cè)的飛掠任務(wù)，有些浪費(fèi)巨大的航天投入。從綜合性?xún)r(jià)比的角度看，木星和土星探測(cè)任務(wù)需要做得非常復(fù)雜和高難度，能夠最終環(huán)繞行星長(zhǎng)期探測(cè)。

因而在實(shí)際情況下，對(duì)木星和土星的探測(cè)任務(wù)很大很重，依然需要借助地球、木星甚至金星的引力助推，才能最大限度降低對(duì)火箭的要求，實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。

以人類(lèi)史上唯一的土星環(huán)繞探測(cè)器卡西尼號(hào)為例，它在發(fā)射后第一站并非向太陽(yáng)系外，而是向內(nèi)飛向金星并連續(xù)進(jìn)行兩次金星引力助推，再連續(xù)通過(guò)地球和木星引力助推最終飛抵土星。整個(gè)飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7年，才確?？ㄎ髂崽?hào)在抵達(dá)土星后有足夠能力繼續(xù)工作了13年之久，極大擴(kuò)展了人類(lèi)對(duì)土星的認(rèn)知。

03

太陽(yáng)系的邊界：百年一遇的機(jī)會(huì)

對(duì)于太陽(yáng)系內(nèi)更外圍的天王星、海王星、冥王星和柯伊伯帶天體等，那里的太陽(yáng)能已經(jīng)微弱到無(wú)法用來(lái)給探測(cè)器供能，導(dǎo)致探測(cè)的難度進(jìn)一步增加。人類(lèi)甚至尚沒(méi)有足夠能力發(fā)射能夠環(huán)繞它們的探測(cè)器，而僅能從遠(yuǎn)處飛掠。

即便如此，這些“驚鴻一瞥”的任務(wù)已經(jīng)造價(jià)不菲。例如，人類(lèi)唯一飛掠冥王星的新視野號(hào)探測(cè)器花費(fèi)就超過(guò)了8億美元，但它只探測(cè)了冥王星和一顆太陽(yáng)系邊緣的小天體“天涯海角”，真正有效的觀測(cè)時(shí)間僅數(shù)天。因而，盡管地球與這些外圍天體的會(huì)合周期極短（略多于1年），但距離和難度成為人類(lèi)現(xiàn)今運(yùn)載火箭技術(shù)難以跨越的天塹，對(duì)它們的探測(cè)極度低頻。

由于難度和成本過(guò)高，如果能一次任務(wù)多飛掠幾個(gè)行星最好。人類(lèi)進(jìn)入航天時(shí)代以來(lái)，僅有1977年發(fā)射的旅行者二號(hào)飛掠了木星、土星、天王星和海王星這四大太陽(yáng)系外圍行星，它在飛行過(guò)程中通過(guò)木星、土星、天王星等連續(xù)引力助推才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。這意味著它必須找到這些遙遠(yuǎn)天體的最佳幾何關(guān)系，完成每一步精準(zhǔn)借力。而這種完美的幾何關(guān)系，僅約165年才發(fā)生一次，成為很多人一生都無(wú)法等到的時(shí)機(jī)。

人類(lèi)面對(duì)強(qiáng)大的太陽(yáng)引力桎梏

依然顯得渺小脆弱

地球是人類(lèi)的搖籃

但我們不能永遠(yuǎn)生存在搖籃里

隨著人類(lèi)航天技術(shù)在繼續(xù)突飛猛進(jìn)

人類(lèi)邁出太陽(yáng)系的腳步

也在變得越來(lái)越堅(jiān)定沉穩(wěn)

星辰大海，就在那里

來(lái) 源丨中國(guó)的航天

作 者丨毛新愿

編 輯丨王舒穎