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為什麼水星是我們探索最少的行星

水星是太陽系裡我們探索最少的行星。細想來,還挺奇怪的。

為什麼水星是我們探索最少的行星

水星

與其他行星相比,水星離我們不算遠,大氣層又不是很稀薄,天氣也不是很惡劣,不至於損壞航天器。但其實水星的自身條件並非問題所在。問題在於去水星太難了。進入水星附近的軌道無論是從天文學還是技術的角度來講都是一項挑戰,所以,人類1985年才突破如何進入水星軌道這個難題。換言之,我們攻克載人飛月的時間都要早於讓機器進入水星軌道的時間。

不過,好在這個問題已經解決了,言歸正傳:之所以進入水星軌道存在巨大挑戰是因為水星的體型太小,離太陽又最近。水星直徑近4900公里,是太陽系裡最小的行星。也是離太陽最近的行星——大約6000萬公里;而地球離太陽卻有1.5億公里。這就說明水星的軌道也很短,大概只需要88個地球日就能環繞完畢。光是這兩點就讓水星成為很難抵達的目的地。不過還有一個原因在於太陽本身。航天器飛離太陽的時候,比如從太陽飛向火星或者木星的時候,其實是在擺脫太陽的引力並獲得速度。但當航天器飛向太陽的時候,比如終點站是水星的時候,太陽會為航天器提供動能。所以,稍有不慎,航天器就會飛過頭,並進入熾熱的深淵,即太陽。

在科幻片中可能會看到航天器解決的這樣的問題,方式是進行強有力的反轉和燃燒動作,以實現減速,從而隨時隨地想停就停。它的基本理念是:如果向反方向啟動推進器,並且足夠用力的話,就能停下來。

但如果用現在的技術,飛向水星的路上進行減速就成了件難事,因為路上會獲得太多的動能。要產生足夠的推力以實現減速的話,航天器上就要配有超負荷的燃料。雖然我不是工程師之類的崗位,但我認為這個問題聽起來像是設計的問題。

第一次飛往月球的是水手10號,它當時進行的是飛近探測任務,解決了這個問題。

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水手10號

1973年,水手10號沿著相對直接的路徑快速飛往水星,用了僅5個月的時間就抵達了水星。不出所料,其抵達水星的時候速度過快,但這不是事兒,因為水手10號本來也就沒打算環繞水星飛行。

相反,它飛越了水星3次,勾畫了其表面的圖譜。不過,過去這些年來,科學家找到了進入水星軌道的辦法。為了近距離觀測水星更長的時間,科學家們設計了一個航天器。該航天器依靠太陽能、燃料和引力助推的合力來移動。引力助推是軌道力學上的一種常見工具,即航天器通過其所經過的行星的引力來改變自己的方向或者速度。

科學家一直通過引力助推作用來讓航天器抵達外太陽系,但抵達水星所需的引力助推尤為複雜,因為水星體型太小,離太陽又太近。雖然上世紀80年代我們終於搞明白如何實現,但直到2004年,人類才首次成功試行這個方案。當時的項目是美國宇航局推出的信使號。信使號在引力助推的作用下飛行了6年半的時間,但2011年的時候,信使號終於成為第一個進入水星軌道的航天器。信使號環繞水星的時間長達4年之久,最終,由於燃料用盡而墜落到水星表面。

但故事還沒結束。因為目前科學家正在思考如何通過引力助推的作用再次實現飛到水星的任務——貝皮可倫坡號。貝皮可倫坡號是以義大利科學家的名字命名的,因為這位科學家曾助力計算了水手10號去往水星的路徑。貝皮可倫坡號已於2018年10月發射。貝皮可倫坡號由2個探測器組成,分別來自歐洲太空總署和日本的宇宙航空研究開發機構。這次任務中,貝皮可倫坡號可以完成分析水星磁場、地形、表面組成等任務。貝皮可倫坡號收集的信息將助力天文學家更好地理解離自己所環繞恆星很近的系外行星,同時也能更好地理解太陽系的形成方式。

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貝皮可倫坡號

但以合適的速度抵達火星將會耗費7年的時間,強度很高。

貝皮可倫坡號採取的策略與信使號相似——它將進行9次飛近探測,然後才會於2025年進入水星軌道。其路徑看起來很像是一個人帶著呼吸描記器模板去城裡,畫了一系列橢圓。貝皮可倫坡號的第一次重大里程碑將在2020年4月出現,那時候,它會經過地球,並對地球做一次單獨的飛近探測。

其後一直到2021年,貝皮可倫坡號將對進行做數次飛近探測。再往後直到2025年,航天器將在水星執行任務——進行6次飛近探測,並環繞太陽做幾次飛行。在將速度和軌道調整合適後,將於12月進入水星軌道環行。不過,在那之前的飛近探測都不是無用功。而都將是研究人員的機會,可以通過它們來檢測設備,並為關鍵時刻——最後抵達水星做準備。所以,即便是在研究的過程中,我們也很有可能對水星這顆最裡面的行星了解許多。看起來可能像是馬上就可以抵達水星了。但在太空里做什麼事都不是那麼容易。軌道力學和引力讓情況變得更為複雜,但也會讓我們更加欣賞科學家和工程師,在我本人看來,也讓這一切更激動人心了。

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