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天天观热点：深空探测器飞抵目的地前为啥要绕圈？

来源：科普中国

据外媒报道，欧空局和日本联合研制的贝皮科伦布水星探测器将在2023年6月再次飞越水星，而这个2018年10月发射的探测器，要到2025年12月才能最终进入环绕水星的轨道。“贝皮科伦布”在长达7年多的时间里，需要不时和地球、金星和水星擦肩而过。那么，深空探测器为啥要不停地与其他行星擦肩而过才能到达目的地，而不是直接飞向目标呢？


(资料图片仅供参考)

贝皮科伦布水星探测器示意图

动力羸弱跑圈飞

水星公转平均半径约5790万公里，而地球公转半径约1.5亿公里，但“贝皮科伦布”却没法直接从地球飞向水星，而是要绕着太阳系飞很多圈。按计划，该探测器自2018年10月发射以来，先后要飞越1次地球、2次金星和6次水星才能进入环绕水星的轨道。

贝皮科伦布水星探测器飞行轨迹示意图

众所周知，两地之间直线距离最短，“贝皮科伦布”需要花费大量时间绕圈是不得已的苦衷。

地球和水星都绕着太阳公转，从地球飞向水星类似卫星从地球高轨道变轨进入低轨道，都是一个减速过程。行星的公转速度远比卫星环绕地球的速度快，降低轨道的难度较高。如果“贝皮科伦布”直接射入一个近日点5790万公里，远日点1.5亿公里的椭圆绕日轨道，不仅需要将探测器射入逃逸出地球引力的双曲线轨道，还得为探测器提供超过7公里/秒的剩余速度。

“贝皮科伦布”使用阿里安5ECA火箭发射升空，脱离地球引力圈后剩余的速度只有3.475公里/秒，远达不到7公里/秒的速度要求。如果使用探测器的发动机变轨，需要消耗大量的燃料。因此，最实用的办法就是利用大行星引力，借力助推探测器变轨。

引力辅助探测器变轨，虽然探测器和行星的相对速度没有变化，但探测器速度的方向则改变了，产生的效果就像探测器被行星弹开一样。

根据轨道设计的不同，探测器被行星弹射后，相对太阳的速度增加或减少，从而实现了无需燃料变轨的目的。引力辅助探测器变轨实施的效果就是以时间空间换速度。说到底，探测器借助行星引力绕圈变轨是动力不足导致的无奈选择。

引力变轨价值高

回顾深空探测历史会发现，引力辅助探测器变轨在很多任务中发挥着无可取代的作用。

一般地说，从地球出发前往月球，以及临近的金星、火星的探测器，都不需要引力辅助变轨，但更远的天体比如木星，可能就需要引力来加速。例如，美国的朱诺号木星探测器就进行了一次地球飞越，获得了超过3.9公里/秒的加速后才前往木星。

如果少了借力地球引力带来的3.9公里/秒的加速，只使用探测器发动机工作提供同等的加速，那朱诺号探测器的干重就会降低到现在的几分之一，能携带的探测载荷就十分少。

从美国的“水手10号”到“信使号”，再到“贝皮科伦布”，人类仅有的3个水星探测器都使用了引力辅助变轨，这是火箭和探测器推进系统限制下的最佳选择。

对水星或木星探测器来说，引力辅助变轨虽然收益巨大，但并非真的不能直飞目的地。美国的旅行者号探测器就是发射后直接飞向木星，后来的新视野号探测器也是如此。

截至目前，虽然人类还没有直飞水星轨道的探测器，但美国发射的帕克号太阳探测器在入轨后，其绕日轨道的近日点就在水星轨道内侧。

对于其他一些深空探测器来说，引力辅助变轨是必不可少的选择，著名的尤利西斯号太阳探测器，它发射升空借助木星引力变轨后，轨道面变为和黄道面夹角80.2度的轨道，让人类第一次看到了太阳南北极区。

新动力带来新转机

利用大行星引力辅助变轨是目前人类执行高加速需求深空探测的首选方案。相对于现有的化学能推进系统，行星环绕太阳的速度很快，变轨需要的速度增量很大，而改变轨道倾角的加速需求也高，因此，引力辅助探测器变轨是现实的最佳途径。

为更好地让探测器快速飞抵目的地，人类已经研制和提出了一批高比冲的先进发动机概念，为摆脱“时间换速度”的引力辅助变轨提供了契机。

新型推进系统最实用的当属高比冲的电推发动机。目前，霍尔电推或离子电推能做到3-4000秒的高比冲，虽然现有电推发动机的推力还很小，但它已经在实际使用中展示了光明的应用前景。

美国的黎明号小行星探测器使用3台NEXT电推发动机，11年寿命期间为探测器提供了总计超过10公里/秒的速度增量。这样的加速能力是使用传统发动机的探测器望尘莫及的。

黎明号小行星探测器示意图

不过，“黎明号”也通过了火星引力加速，以更快的速度前往小行星带。将来有了更大的电推发动机后，深空探测器对引力辅助变轨的需求就会大大降低。

目前，美、俄等国家都在研制推力达数牛顿的大推力电推发动机，美国一些公司还在研制新概念的可变比冲磁等离子体火箭发动机（VASIMR）。

美国曾有用大功率电推发动机送航天员登陆木卫的大胆设想，得益于高比冲大推力的电推发动机，在轨道设计时也无需借助地球或火星的引力变轨，以让探测器更快地飞向木星。

VASIMR发动机不仅比冲能达到3000-50000秒，且推力更容易放大。如果使用20万千瓦功率的超级VASIMR发动机，最快可以让航天员在39天内抵达火星。

如果将来VASIMR发动机走向实用化，像“尤利西斯”这样级别的太阳极地探测器，甚至飞向太阳系外的星际探测器，也无需借助大行星的引力变轨就可以凭借“蛮力”直飞目的地。（作者：张雪松）

关键词： 地球引力 擦肩而过

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