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星‘xing’际旅行时代,我{wo}们怎‘zen’么办?

admin2021-10-0141


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06.gif 星‘xing’际旅行时代,我{wo}们怎‘zen’么办? 第1张

本文来自微信民众号:中国国家天文(ID:chineseastronomy),作者:毛新愿,题图来自:SpaceX


旅行,是人类的天性。每一个大手艺变化时代,总会带来交通工具的伟大更新,让人的脚步得以更快延展。航海,航空,一直到现在的航天时代,是汽船、飞机和载人飞船让人类身体从地表延伸到了太空。尤其是载人飞船和与它配套的运载火箭等手艺的泛起,让人类的工业文明,有了挑战地球重力的能力:从一倍重力到零重力的突破,这是个了不起的成就。


现在的大航天时代,若是有星际旅行的时机,你做好准备了么?


太阳系人人族示意图。脱离地球引力的约束后,星际旅行并非一个自由的天下。太阳系中的恒星和行星引力摄动环境,会容易让你意识到人类能力的细微。版权/NASA


旅行不易:庞大的引力环境和探测窗口


脱离地球引力的约束后,星际旅行并非一个自由的天下。太阳系中的恒星和行星引力摄动环境,会容易让你意识到人类能力的细微。地球很大,它用壮大的万有引力统治了从地表到150万千米外的日地引力平衡拉格朗日点(引力的理论影响局限是无限远),人类最绚烂的时刻也仅是踏上38万千米外的月球。而逃离地月系统后,我们将面临的是加倍庞大的引力天下,既有是地球质量30多万倍的太阳引力,也有木星、土星等巨行星带来的引力摄动,甚至连太阳光照射到飞船上造成的光压,都需要详细思量,这会对星际旅行飞船的轨道发生很大影响。


举个最简朴、也是航天领域最经典的三体问题的例子:当三个物体在引力作用下自由移动时,它们的轨道就完全无法展望,没有准确模子能够形貌,只能不停给出限制和假设,实验通过种种数值法去迫近,这就是著名的“三体问题无解”。而现实上,太阳系内有种种天体带来挑战,例如恒星、行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、空间碎片、星际分子云,甚至人类尚未发现的天体等,这种环境下飞船必须举行频仍的轨道修正和深空灵活。


星际旅行也无法实现科幻影戏中的发念头启动后便“直来直去”,真实的太空旅行必须依赖探测窗口期,这主要是太阳系内天体的相对位置导致的。根据天文学家开普勒总结行星运动获得的三大定律:行星距离太阳越远,运动速率就会越慢,围绕一周的距离也会越长,最终围绕太阳的轨道周期越长。以地球和火星对比为例,地球公转约365天,火星约687天,且它们的轨道均不是正圆形。这意味着地球和火星之间的距离在时刻转变,从5500万到4亿千米不等。


从地球的视角来看,每隔约莫780天(约26个月)就会和火星最靠近一次,叫做齐集周期。从几何角度注释也容易明白:假设二者都是纯圆轨道,在780天内地球运行了2周49度角,火星运动了1周49度角。好比是操场中两小我私人跑步,内圈跑得对照快的那小我私人,套了外侧对照慢的那小我私人1圈,二者再次齐集。若是行使这个窗口期,在二者齐集发生前数月提前发射火星探测器,就会最洪水平降低对运载火箭的能力要求,提高义务乐成率。现在人类的火星探测基本都遵照这个原则选择发射时机。对于未往复火星的旅行航班,毫无疑问也要遵照这个纪律,由于在可以预见的未来,人类尚无法有用突破化学能的限制,无法让科幻影戏里的飞船成真。


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地球和火星的轨道周期、齐集周期示意图。版权/毛新愿


同样的原理,对于探测地球的另一个邻人金星而言,齐集周期约为584天,上世纪60-80年月人类探测金星浪潮时代,近40个探测义务就是遵照这个纪律寻找最佳发射窗口。对于更远的旅程,情形就对照庞大了。例如,水星是距离太阳最近的行星,仅88天就围绕太阳一周。只管它和地球之距离着金星,却是最常和地球碰头(距离更近)的邻人。理论上讲,地球与水星的齐集周期为116天,可以经常探测,但现真相形并不这么简朴。


水星太靠近太阳,探测器会受到太阳引力和辐射的伟大滋扰。且水星质量很小,引力主导半径也被太阳引力压缩到仅为17万千米。这对于高速冲进太阳系内部的探测器而言,直接制动刹车和被引力俘获难度极大,必须行使金星和地球的引力频频改变速率巨细和偏向,直到到达理想状态,整个历程连续数年。综合思量各个天体几何关系和火箭发射能力,对水星的理想探测窗口距离远超116天,往往数年才一次好时机。


木星和土星探测亦是云云。理论上地球和它们的齐集周期较短,划分为399天(木星)和378天(土星),险些每年都可以探测。但它们已经属于太阳系外围行星,围绕太阳平均轨道半径到达7.8亿千米(木星)和14.4亿千米(土星),这意味着探测器需要跨过漫长的太阳系空间,连续数年才气抵达。


水星、金星、火星与地球距离示意,大部门时间内距离地球最近的是水星。


在现真相形下,对木星和土星的探测义务很大很重,依然需要借助地球、木星甚至金星的引力助推,才气最大限度降低对火箭要求,实现既定目的。以人类史上唯一的土星围绕探测器——卡西尼号为例,它在发射后第一站并非向太阳系外,而是向内飞向金星并延续举行两次金星引力助推,再延续通过地球和木星引力助推最终飞抵土星。整个航行时间长达7年,才确保卡西尼号在抵达土星后有足够能力继续事情了13年之久,极大扩展了人类对土星的认知。


对于太阳系内更外围的天王星、海王星、冥王星和柯伊伯带天体等,那里的太阳能已经微弱到无法用来给探测器供能,导致探测和旅行的难度进一步增添。人类甚至尚没有足够能力发射能够围绕它们的探测器,而仅能从远处飞掠。即便云云,这些“惊鸿一瞥”的义务已经造价不菲。例如,人类唯一飞掠冥王星的新视野号探测器破费就跨越了8亿美元,但它只探测了冥王星和一颗太阳系边缘的小天体“天涯海角”,真正有用的观察时间仅数天。


因而,只管地球与这些外围天体的齐集周期极短(略多于1年),但距离和难度成为人类现今运载火箭手艺难以跨越的天堑,对它们的探测极端低频。人类进入航天时代以来,仅有1977年发射的旅行者二号飞掠了木星、土星、天王星和海王星这四大太阳系外围行星,它在航行历程中通过木星、土星、天王星等延续引力助推才气实现目的。这意味着它必须找到这些遥远天体的最佳几何关系,完成每一步精准借力。而这种完善的几何关系,仅约165年才发生一次,成为许多人一生都无法等到的时机。去太阳系外围行星甚至太阳系界限完成一次旅行的价值更是可想而知。人类面临壮大的太阳引力桎梏,依然显得细微懦弱。


未来的月球基地(想象图)。版权/Blue Origin


本文来自微信民众号:中国国家天文(ID:chineseastronomy),作者:毛新愿

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