飘洋过海到隔壁
- 2021年03月18日
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翻阅行星探测史时,会发现一些匪夷所思的数字。比如:
“信使号”(MESSENGER)2004年8月3日发射,2011年3月18日进入环绕水星飞行的轨道。历时6年7个月。
“新视野号”(New Horizons)2006年1月19日发射,2015年7月14日飞越冥王星,历时9年半。
水星是距离太阳最近的行星,跑在地球的内圈,即使和地球隔着太阳遥遥相对(所谓“上合”)时,最远也不过1.5个天文单位(AU,即日地平均距离)。而冥王星曾是最遥远的行星(至少,“新视野号”发射时,它还是呐),“新视野号”遇见冥王星时,已经离地球32AU了。
为什么跑到冥王星只用了9年半,而到水星却要超过6年半呢?是不是“信使号”项目组把科研经费A掉了?
其实,一切都出于无奈。水星的公转轨道位于太阳重力场的深处。探测器从地球出发,如果划一条简单弧线去水星,那么,与其说它前往水星,还不如说它在坠向太阳。打个比方:四楼阳台上,一个大汉手滑,丢下一个铅球,嚷着让二楼阳台的孩子接住,结果会怎样呢?
地球就是四楼的大汉,水星就是二楼的孩子。已经挣脱地球引力的探测器,再被质量巨大的太阳持续加速之后,表面重力加速度只有地球38%的水星根本抓不住它。
假如不考虑绕飞,而只是从表面掠过的话,项目就会容易得多。“水手10号”探测器(Mariner 10),1973年11月3日发射,只花了3个月(次年2月5日)就跑到水星身边了。但它跑得实在太快,无法入轨,最终围着太阳转了下去,和行星们平起平坐,级别还挺高呢。
其实拿“新视野号”来比较,并不太公平,对吧。“新视野号”也只是飞掠,倘若任务是绕冥飞行的话,就也要考虑抵达速度和刹车问题,不能跑太快。更公平的比较对象,是用了6年8个月落户土星的“卡西尼号”(Cassini)。
回到原题上来。那么,我们多装些推进剂,让探测器自己猛踩刹车,行不行?
真不行。即便是很“省油”的最终方案,推进剂依然占掉了探测器总质量的54%,再加燃料的话,就要换重型火箭才能升空。并且,推进剂容器和隔热系统(对于阳光炽烈的水星探测很重要!)全都要重新设计,项目组承受不了这个成本。在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的官网上,项目组答问时,非常老实地说:这个项目,推迟升空的话,就基本会被砍掉了……
推进剂对于“信使号”入轨后的科研工作也很宝贵。水星太小了,太阳太近太大了,在强烈的引力干扰下,绕飞水星需要大量燃料维持轨道。把推进剂留给科研探测,比花在路上值。
于是,“信使号”前往水星时,利用行星引力逐层降轨,走了极其迂回的一条道路,参与引力变轨的行星有地球、金星甚至水星自己。这个方案省油耗时。发射升空后,它飞掠了1次地球、2次金星、3次水星,到第4次遇见水星时,才算正式抵达。
2004年8月3日上天后,它先沿着近似地球轨道的椭圆兜了一圈,过了整整一个地球年,2005年8月2日,它再次和地球会合,并被地球引力甩向内圈。然后,它在地球和金星之间转了近3圈,期间2次飞掠金星。
第1次飞掠时,它把轨道调整为和金星公转周期同步。这样,经过整整一个金星年(225天),它们就可以在同一点再次相遇。
2007年6月5日,“信使号”第2次飞掠金星,并被丢往水星方向。它的轨道变成一个很扁的椭圆,近日点在水星轨道、远日点在金星轨道。
换言之,刚才说的四楼大汉丢铅球,现在挪到三楼丢了,二楼的小朋友感觉好了些。
不过,此时的“信使号”通过近日点(即水星轨道)时,秒速大约62.5千米,水星还是接不住(水星公转秒速39~59千米)。事实上,“信使号”升空后不到3年半(2008年1月14日),就已到过水星,只是这次刹不住车,喊声“嗨”就绝尘而去了。
怎么办呢?一次接不住,那就多见几次面,每次慢一点吧。为了和水星约会,“信使号”陆续做了5次深空变轨(DSM)。它耐心地围着太阳转了11圈半,期间遇到3次水星。每次见面,它都把速度降一点,把轨道缩一点。到第4次相会时,水星终于能够留住它了。
2011年3月18日,“信使号”正式进入环水轨道,成了水星的一颗人造卫星。此刻它离地球1.6亿千米,可是回顾来路,它已经绕日飞行了15.2圈,全程79亿千米,相当于从天王星走直线到太阳,再走直线去一趟“新视野号”遇见冥王星的位置。
咦?这么说,“信使号”走这么“慢”有情可原了。但是,它6年半走了一个天王星加一个冥王星,而“新视野号”花9年半才到冥王星,那么,是“新视野号”项目组A掉了科研经费?
其实也没有。“信使号”的6年半,一直在太阳附近高速运行,而“新视野号”则脸朝外飞,被太阳拖着后腿,越飞越慢。越过木星轨道后,速度已经降到每秒十几千米。只不过,在水星附近,飞到每秒四五十千米依然跳不出太阳的手心,而在木星以外,十几千米的秒速就足以冲出太阳系了。
“信使号”的轨迹,虽前无古人,却后有来者。2018年10月20日,欧洲空间局的“贝皮可伦坡号”(BepiColombo)绕水探测器发射升空,它也会采用“信使号”式的路径,眼睛瞅着别处,假装随便逛逛,飞掠1次地球、2次金星、6次水星、到第7次才入轨。一切顺利的话,它将在2025年11月2日入轨,全程耗时7年出头,比“信使号”还要多出5个月。
由于前往水星的路上节省了大量推进剂,“信使号”花了7个月完成既定探测项目后,又加班3年半,直到2015年4月30日才坠落水星。能在绕水轨道上坚持4年多,非常了不起。看似浪费时间的路径,还是很值得的。