为何星际旅行不能说走就走

原标题：为何星际旅行不能说走就走

　　每一个大技术变革时代，总会带来交通工具的巨大更新。轮船、飞机和载人飞船让人类的足迹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技术的出现，让人类有了挑战地球重力的能力。

　　但离开地球引力的束缚后，星际旅行也并非是一片坦途。逃离地月系统后，我们将面对的是更加复杂的引力世界，既有地球质量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，都需要详细考虑——这会对星际旅行飞船的轨道产生很大影响。

　　当3个物体在引力作用下自由移动时，它们的轨道就完全无法预测，没有准确模型能够描述，只能不断给出限定和假设，尝试通过各种数值法去逼近，这就是著名的“三体问题无解”。而实际上，太阳系内有各种天体带来的挑战，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进行频繁的轨道修正和深空机动。

　　星际旅行也无法实现科幻电影中的发动机启动后便“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。以地球和火星为例，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变化，从5500万千米到4亿千米不等。

　　从地球的视角来看，每隔大约780天（约26个月）就会和火星最接近一次，这叫做会合周期。如果利用这个窗口期，在二者会合发生前数月，提前发射火星探测器，就会最大程度降低对运载火箭的能力要求，提高任务成功率。目前人类的火星探测基本都遵循这个原则选择发射机会，未来去火星的旅行航班，毫无疑问也要遵循这个规律。

　　同样的道理，对于探测地球的另一个邻居金星而言，会合周期约为584天，上世纪60—80年代是人类探测金星的浪潮期，近40个探测任务就是遵循这个规律寻找最佳的发射窗口。

　　对于更远的旅程，情况就比较复杂了。例如，水星是距离太阳最近的行星，仅88天就围绕太阳一周。尽管它和地球之间隔着金星，却是最常和地球见面（距离更近）的“邻居”。理论上讲，地球与水星的会合周期为116天，可以经常探测，但实际情况并不这么简单。

　　水星太靠近太阳，探测器会受到太阳引力和辐射的巨大干扰。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，直接制动刹车和被水星引力俘获难度极大，必须利用金星和地球的引力反复改变速度和方向，整个过程持续数年。综合考虑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间隔远超116天，往往数年才有一次好机会。

　　木星和土星探测亦是如此。理论上地球和它们的会合周期较短，分别为399天（木星）和378天（土星），几乎每年都可以探测。但它们已经属于太阳系外围行星，环绕太阳平均轨道半径达到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，持续数年才能抵达。

　　在实际情况下，对木星和土星的探测任务依然需要借助地球、木星甚至金星的引力助推，才能最大限度降低对火箭要求，实现既定目标。以人类史上唯一的土星环绕探测器——卡西尼号为例，它在发射后第一站并非是太阳系外，而是向内飞向金星，并连续两次利用金星引力进行助推，再连续通过地球和木星引力助推最终飞抵土星，整个飞行时间长达7年。