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據(jù)外媒報(bào)道，歐空局和日本聯(lián)合研制的貝皮科倫布水星探測器將在2023年6月再次飛越水星，而這個2018年10月發(fā)射的探測器，要到2025年12月才能最終進(jìn)入環(huán)繞水星的軌道?！柏惼た苽惒肌痹陂L達(dá)7年多的時間里，需要不時和地球、金星和水星擦肩而過。那么，深空探測器為啥要不停地與其他行星擦肩而過才能到達(dá)目的地，而不是直接飛向目標(biāo)呢？

貝皮科倫布水星探測器示意圖

動力羸弱跑圈飛

水星公轉(zhuǎn)平均半徑約5790萬公里，而地球公轉(zhuǎn)半徑約1.5億公里，但“貝皮科倫布”卻沒法直接從地球飛向水星，而是要繞著太陽系飛很多圈。按計(jì)劃，該探測器自2018年10月發(fā)射以來，先后要飛越1次地球、2次金星和6次水星才能進(jìn)入環(huán)繞水星的軌道。

貝皮科倫布水星探測器飛行軌跡示意圖

眾所周知，兩地之間直線距離最短，“貝皮科倫布”需要花費(fèi)大量時間繞圈是不得已的苦衷。

地球和水星都繞著太陽公轉(zhuǎn)，從地球飛向水星類似衛(wèi)星從地球高軌道變軌進(jìn)入低軌道，都是一個減速過程。行星的公轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)比衛(wèi)星環(huán)繞地球的速度快，降低軌道的難度較高。如果“貝皮科倫布”直接射入一個近日點(diǎn)5790萬公里，遠(yuǎn)日點(diǎn)1.5億公里的橢圓繞日軌道，不僅需要將探測器射入逃逸出地球引力的雙曲線軌道，還得為探測器提供超過7公里/秒的剩余速度。

“貝皮科倫布”使用阿里安5ECA火箭發(fā)射升空，脫離地球引力圈后剩余的速度只有3.475公里/秒，遠(yuǎn)達(dá)不到7公里/秒的速度要求。如果使用探測器的發(fā)動機(jī)變軌，需要消耗大量的燃料。因此，最實(shí)用的辦法就是利用大行星引力，借力助推探測器變軌。

引力輔助探測器變軌，雖然探測器和行星的相對速度沒有變化，但探測器速度的方向則改變了，產(chǎn)生的效果就像探測器被行星彈開一樣。

根據(jù)軌道設(shè)計(jì)的不同，探測器被行星彈射后，相對太陽的速度增加或減少，從而實(shí)現(xiàn)了無需燃料變軌的目的。引力輔助探測器變軌實(shí)施的效果就是以時間空間換速度。說到底，探測器借助行星引力繞圈變軌是動力不足導(dǎo)致的無奈選擇。

引力變軌價值高

回顧深空探測歷史會發(fā)現(xiàn)，引力輔助探測器變軌在很多任務(wù)中發(fā)揮著無可取代的作用。

一般地說，從地球出發(fā)前往月球，以及臨近的金星、火星的探測器，都不需要引力輔助變軌，但更遠(yuǎn)的天體比如木星，可能就需要引力來加速。例如，美國的朱諾號木星探測器就進(jìn)行了一次地球飛越，獲得了超過3.9公里/秒的加速后才前往木星。

如果少了借力地球引力帶來的3.9公里/秒的加速，只使用探測器發(fā)動機(jī)工作提供同等的加速，那朱諾號探測器的干重就會降低到現(xiàn)在的幾分之一，能攜帶的探測載荷就十分少。

從美國的“水手10號”到“信使號”，再到“貝皮科倫布”，人類僅有的3個水星探測器都使用了引力輔助變軌，這是火箭和探測器推進(jìn)系統(tǒng)限制下的最佳選擇。

對水星或木星探測器來說，引力輔助變軌雖然收益巨大，但并非真的不能直飛目的地。美國的旅行者號探測器就是發(fā)射后直接飛向木星，后來的新視野號探測器也是如此。

截至目前，雖然人類還沒有直飛水星軌道的探測器，但美國發(fā)射的帕克號太陽探測器在入軌后，其繞日軌道的近日點(diǎn)就在水星軌道內(nèi)側(cè)。

對于其他一些深空探測器來說，引力輔助變軌是必不可少的選擇，著名的尤利西斯號太陽探測器，它發(fā)射升空借助木星引力變軌后，軌道面變?yōu)楹忘S道面夾角80.2度的軌道，讓人類第一次看到了太陽南北極區(qū)。

新動力帶來新轉(zhuǎn)機(jī)

利用大行星引力輔助變軌是目前人類執(zhí)行高加速需求深空探測的首選方案。相對于現(xiàn)有的化學(xué)能推進(jìn)系統(tǒng)，行星環(huán)繞太陽的速度很快，變軌需要的速度增量很大，而改變軌道傾角的加速需求也高，因此，引力輔助探測器變軌是現(xiàn)實(shí)的最佳途徑。

為更好地讓探測器快速飛抵目的地，人類已經(jīng)研制和提出了一批高比沖的先進(jìn)發(fā)動機(jī)概念，為擺脫“時間換速度”的引力輔助變軌提供了契機(jī)。

新型推進(jìn)系統(tǒng)最實(shí)用的當(dāng)屬高比沖的電推發(fā)動機(jī)。目前，霍爾電推或離子電推能做到3-4000秒的高比沖，雖然現(xiàn)有電推發(fā)動機(jī)的推力還很小，但它已經(jīng)在實(shí)際使用中展示了光明的應(yīng)用前景。

美國的黎明號小行星探測器使用3臺NEXT電推發(fā)動機(jī)，11年壽命期間為探測器提供了總計(jì)超過10公里/秒的速度增量。這樣的加速能力是使用傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的探測器望塵莫及的。

黎明號小行星探測器示意圖

不過，“黎明號”也通過了火星引力加速，以更快的速度前往小行星帶。將來有了更大的電推發(fā)動機(jī)后，深空探測器對引力輔助變軌的需求就會大大降低。

目前，美、俄等國家都在研制推力達(dá)數(shù)牛頓的大推力電推發(fā)動機(jī)，美國一些公司還在研制新概念的可變比沖磁等離子體火箭發(fā)動機(jī)（VASIMR）。

美國曾有用大功率電推發(fā)動機(jī)送航天員登陸木衛(wèi)的大膽設(shè)想，得益于高比沖大推力的電推發(fā)動機(jī)，在軌道設(shè)計(jì)時也無需借助地球或火星的引力變軌，以讓探測器更快地飛向木星。

VASIMR發(fā)動機(jī)不僅比沖能達(dá)到3000-50000秒，且推力更容易放大。如果使用20萬千瓦功率的超級VASIMR發(fā)動機(jī)，最快可以讓航天員在39天內(nèi)抵達(dá)火星。

如果將來VASIMR發(fā)動機(jī)走向?qū)嵱没?，像“尤利西斯”這樣級別的太陽極地探測器，甚至飛向太陽系外的星際探測器，也無需借助大行星的引力變軌就可以憑借“蠻力”直飛目的地。（作者：張雪松）

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