科學也可以如此靠近

向水星發射一顆衛星有多難?只看軌道就令人頭暈目眩!

5月
13
2019

2019年5月13日05時 微納星空

微納星空

水星是太陽系八大行星中距離太陽最近的行星,由於大多數時間被太陽光所掩蓋,因此想要觀察水星是非常困難的。二十世紀後半葉,隨著人類航天技術的不斷提高,派遣探測器、衛星前往水星成為了可能。然而,想要讓探測器、衛星等人造太空飛行器飛往水星卻不是件容易事,迄今為止,只有美國的「信使號」探測器成為了水星的人造衛星。究竟是什麼原因,使得從地球向水星發射一顆人造衛星困難重重呢?

對天文有所了解的人可能知道,水星到太陽的距離只有日地距離的約1/20,所以太陽風非常強烈。太空飛行器想要靠近水星就要承受強烈的太陽輻射和高溫炙烤,這裡的光照比地球要強上11倍,白天溫度能直接熔化錫和鉛等金屬,這對太空飛行器的材料、溫度控制、姿態控制等諸多方面提出了高要求。其次,水星的直徑只有地球直徑的約1/3,本身質量很小,從而導致其引力非常弱。可太空飛行器在朝向太陽飛行時,由於太陽引力巨大,因此會被加速,要想進入水星軌道,太空飛行器就必須將自己的速度降到很低很低,才能被水星微弱的引力捕獲。一旦速度過快,太空飛行器就無法進入水星軌道,甚至會一頭扎進太陽里。

示意圖:飛抵水星的「信使號」

一般而言,太空飛行器想要減慢自身的運動速度,最簡單、最直接的方法就是安裝動力系統,並在適當時機沿前進方向的反向進行噴射,以達到減速的目的。但是,前往水星的衛星如果全程都採用這個方法,便會造成衛星超重,從而難以發射。所以,科研人員便利用行星間的引力來進行「免費剎車」。即使是這樣,「信使號」依舊攜帶了大量燃料。據稱,整顆衛星重量的55%都是燃料所占據的。

「信使號」所攜帶的科學設備

為了讓「信使號」充分利用行星間的引力來減緩速度,科研人員為它設計了複雜精確的軌道,中間經過了多達六次的行星引力借力變軌機動。其中,地球一次,金星兩次,水星三次。如果你認為很簡單,那麼不妨來看看下面的動畫演示圖,當中紫色的小球與軌道就是「信使號」和它所經過的軌道,究竟圍繞太陽轉了多少圈,恐怕還沒數完您就要頭暈目眩了。「信使號」沿著這個複雜的軌道飛行了超過79億公里,如果走直線,這個距離完全可以從地球一直飛到冥王星。即便是這樣,「信使號」依舊於2008年1月、2008年10月和2009年9月三次飛掠水星,原因還是速度太快。直到2011年3月18日,「信使號」終於被金星引力所捕獲,成為了水星第一顆,也是迄今為止唯一一顆人造衛星。從中不難看出,向水星發射一顆衛星究竟有多困難。

「信使號」飛行軌道動畫演示圖

2015年4月30日,由於燃料耗盡,「信使號」以撞擊水星的方式,結束其探測使命。在整個服役期間,「信使號」拍攝了數十萬張照片,同時還積累了海量科學數據,為人類研究更好的水星打下了堅實的基礎。


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