盤點宇宙中超出常人想像的現象

第一期，我們來講一些小東西。

這些小細節講出來可能不如星系的尺寸和構成那麼氣勢磅礴，但它們卻是人類在探索太空的過程中需要去直接面對和克服的。

好，我們開始。

1）在宇宙真空環境中，兩塊裸露的同類金屬在接觸後會相互粘合，好像被焊接在一起一樣。這個現象被稱之為『冷焊』（Cold Welding）。

史上最具幽默感的物理學家費曼（Richard Feynman）曾經形象地解釋道，這種現象的產生是因為『在真空中，處在接觸面兩邊金屬原子之間沒有任何物質將它們隔開，所以這些金屬原子「無法知道」它們其實是屬於兩塊獨立的金屬的。』

而在大氣環境中，由於空氣的存在和金屬表面氧化物的存在，兩塊金屬即使相互接觸後也不會粘合在一起。

在人類探索太空的過程中，對這個小細節的忽視曾經引發過巨大的麻煩。

1989年10月8日，NASA發射了一顆名為『伽利略號』的探測器，它的主要任務是對木星及其衛星進行觀測。

其他很多答案中已經講過，我們平時看到的太陽系示意圖中，行星間的距離全都不是按照比例繪製的。木星與地球之間的距離比這些示意圖上所顯示出來的要大得多。如果我們按照真實比例繪製一張太陽系示意圖並把地球畫成一元硬幣那麼大的話，那麼月球將在距離地球0.75米的地方，而木星大約在1.5公里外。即使以光速航行，從地球到達木星也需要43分鐘。

為了到達如此遙遠的一個地方，科學家們為伽利略號設計了一條非常複雜的航行路線：

圖片中的粗實線就是伽利略號的航行路線。伽利略號於1989年10月18日從地球發射後，在1990年2月份經過金星附近並利用金星的引力進行了第一次加速，然後又分別在1990年和1992年兩次經過地球並進行了兩次加速。在這之後，它將經過三年的飛行到達木星軌道。

為了能在這樣遙遠的距離上與伽利略號之間進行數據傳輸，工程師們為它裝備了一個巨大的主天線（High-gain Antenna）。下面的圖片中，位於探測器上方雨傘一樣的部件就是這個主天線。

由於伽利略號的航行路線中最初的一段距離太陽比較近，為了避免這個主天線在太陽照射下損壞，它在航程的前半段一直保持著收起的姿態，就好像一把合起來的雨傘。按照計劃，當伽利略號運行到距離太陽較遠的時候，也就是1991年4月時，地面控制中心才會通過遠程指令將這個主天線打開。當主天線打開後，它在太空中看起來會是這個樣子的（藝術家想像圖）：

1991年4月11日，當控制中心向伽利略號發送打開主天線的指令後，卻發現主天線並沒有完全打開。此時的伽利略號離開地球已經一年半了，地面上的科學家們只知道天線沒有按照計劃打開，至於天線究竟出了什麼故障，是無法直接觀察得到的。

科學家們只能利用伽利略號傳回來的飛行姿態等有限數據，在地球上使用一模一樣的複製品進行分析和模擬。排除掉種種可能性後，科學家們最終發現了故障的原因：在伽利略號發射升空之前，它在地面上經歷了數次運輸和測試，在這些過程中，覆蓋在幾根骨架上的潤滑物質和氧化層在摩擦的作用下被過早地磨損掉了。在進入太空後，有三根骨架和其他金屬部件在『冷焊』的作用下被粘結到了一起，伽利略號上的天線開啟裝置已經不具備足夠的動力將它們打開。

這顆耗資十幾億美元，從開始設計到預計任務結束耗時25年的探測器眼看就要變成一塊太空垃圾。

在這個時候，已經不可能有人或者機器能夠追得到這顆探測器對它進行維修了。地球上的工程師們只能想法設法利用探測器上已有的部件將天線打開。

首先，他們試著通過遠程指令將探測器進行旋轉，使天線依次面朝和背離太陽的方向，希望溫度差所產生的應力可以讓骨架彈開。但是在經過了7次循環後，主天線還是沒能打開。

接下來，工程師們嘗試了旋轉伽利略號另一個較小的天線來撞擊探測器，期望由此產生的振動可以讓骨架彈開。經過6次撞擊後，這種方法也失敗了。

最後，工程師們將探測器上用來打開的主天線的驅動器以特定的頻率反覆開啟，以此增大它所能提供的最大動力。但是這種方法也失敗了。

所以，這個主天線直到最後也沒能完全打開。

不幸中的萬幸是，伽利略號上還有一個備用的低增益天線（Low-gain Antenna）。儘管它的傳輸帶寬只有主天線的萬分之一左右（8 to 16 bits per second），但人們這時也只能使用它進行數據傳輸了。不過，由於地面接收技術以及信息壓縮技術的進步，最終這個帶寬又被提高了到了主天線的百分之一左右（1,000 bits per second）。從1991年直到2003年伽利略號任務結束之時，人們都只能使用這個大打折扣的低增益天線進行數據傳輸，儘管NASA聲稱伽利略號最終依然完成了70%的科學任務。

引起這個大麻煩的，正是前面提到的『冷焊』這個小現象。

2）從地球發射一顆探測器到火星，最佳發射時間並不是當這兩顆行星距離最近的時候。

地球和火星分別是太陽系內距離太陽第三和第四近的行星。這兩顆行星都在圍繞著太陽做公轉運動，但它們的公轉周期卻有著很大的差別。火星的公轉周期為687個地球日，也就是說地球繞太陽差不多每轉兩圈，火星才能繞太陽轉一圈。這也意味著地球和火星之間的相對位置是每時每刻都在改變的。

當火星和地球分別移動到太陽的兩邊時，二者之間的距離最遠，這個位置被稱為『合』（Conjunction），如下圖所示：

這個名稱聽上去有點奇怪，在這個位置上明明火星和地球分開在太陽的兩端，為什麼要把它叫做『合』位呢？這是因為在這個時候從地球上觀察，火星和太陽處於觀察者的同一側，所以稱之為『合』。

而當火星和地球轉到太陽的同一側時，二者之間的距離最近，這個位置被稱為『沖』（Opposition）。如下圖所示：

這個時候從地球上觀察，太陽和火星分別位於地球的兩側，所以這個位置被稱為『沖』（opposition有相反、相對的意思）。對於地球上的觀察者來說，當太陽在西邊落下時，火星剛好從東方的夜空升起。而當火星沿著天空運行至西邊落下時，太陽又剛好從東邊升起。

那麼問題來了：從地球發射探測器到火星的最佳時機是什麼時候？

很多人（答主曾經也是）憑藉直覺都會認為發射這樣一枚火箭的最佳時機是在地球和火星直線距離最短的時候，只要瞄準火星的方向發射一枚探測器，就可以在最短的時間內到達火星。這樣一條路線如果畫出來的話就是上圖中那條白色的直線。

但是，沿著這樣一條路線是到不了火星的。

我們的地球每時每刻都在圍繞著太陽做公轉運動。也就是說，地球以及地球上的一切物體都在宇宙空間中以30公里/秒的線速度運動。從地球發射出的探測器自然也會獲得這一初始速度。這個速度又大大超過了人類推進技術所能達到的速度，所以這顆對準火星發射的探測器在離開地球之後還是會和地球一起繞著太陽做圓周運動。 請看下面的圖片：

在上面這張圖片中，內側的圓圈代表地球公轉軌道，外側的圓圈代表火星公轉軌道。當一顆探測器對準火星發射後，會獲得與地球相同的30公里/秒的速度V0，繼續圍繞太陽旋轉。

那麼，什麼才是到達火星的正確方式呢？既然離開地球的探測器反正都要圍繞太陽公轉，我們只要在速度V0的基礎上再給它加上一個特定的速度分量，把它的軌道從圓形拉成橢圓形，然後讓橢圓的一點與火星軌道相切就可以了，就像這樣：

探測器從處於P點的地球上發射後，經過一個橢圓形的軌道之後在A點與火星軌道相切。雖然繞著太陽轉了半圈，但這卻是從地球到火星最省力的路線，這條路線叫做霍曼轉移軌道（Hohmann Transfer Orbit）。確定了軌道之後，下一步我們需要計算的就是什麼時候從地球上發射探測器，可以讓火星剛好和探測器同時到達A點以實現回合。在茫茫的宇宙空間中做到這一點就好比要算準時機，丟出一顆網球去擊中正在空中飛行的另外一顆網球。計算出探測器從P點到達A點所需的時間，再減去火星在這段時間內走過的路程，就可以得到在發射探測器時火星應該所處的位置：

計算過程在前面的那個頁面上有，這裡就不重複了。地球和火星這種特定的相對位置，每26個月會出現一次，這也就是人們所說的『發射窗口』。

最後再補充一下，雖然霍曼轉移是所需能量最小的方案，但並不代表這是唯一的方案。人們可以以多消耗能量為代價以其他軌道進行行星間的轉移。例如下面這張維基百科圖片就顯示了三種不同的轉移軌道。圖中的（A）、（B）、（C）軌道代表的分別是（A）霍曼轉移軌道（Hohmann Transfer Orbit）、（B）合點航行（Conjunction Mission）、（C）沖點航行（Opposition Mission）。

請您繼續閱讀更多來自 宇宙奧秘 的精彩文章:

※宇宙中有哪些超出常人想像的現象？
※東風家族再次十發連射！出現的型號超出國人想像
※有時候人性的醜陋，超出你的想像！
※短髮時尚，超出你的想像！
※國產航母冒出黑煙 速度遠超出人們想像 中印看法出奇一致！
※國產航母冒出黑煙 這速度遠超出人們想像 中印看法出奇一致！
※古代歐洲人眼中的中國明朝：遠超出你我想像
※外國人拍攝的晚晴窮人生活場景，超出我們的想像，第四張不忍直視
※中國古代那些科技發明和時尚潮流，牛皮球鞋很多超出了現代人想像
※盤點農村表演超出底線的一幕，做的事情你想不到！
※日本人真的很獨特，做事情也很超出大家的想像
※宇宙中星球的顏色多到超出你的想像，太陽系內竟然還有粉色星球
※它的美，超出了人的想像力——蘭花螳螂
※韓媒：中國技術發展速度超出想像，韓國製造在華沒落是我們技不如人
※紅木傢具給人體帶來的變化超出我們的想像
※孩子慢慢靠近藏獒，出現了這樣的一幕超出人的想像
※航拍這樣的澳洲，完全超出了我的想像！
※短髮的多變，超出你的想像！
※平壤也有「中關村」？朝鮮的開放程度遠遠超出你的想像