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【载人航天|星际旅行时代，我们怎么办？】
SpaceX发展中的星际旅行飞船“星舰” 。 版权／SpaceX
旅行 ， 是人类的天性 。 每一个大技术变革时代 ， 总会带来交通工具的巨大更新 ， 让人的脚步得以更快延展 。 航海 ， 航空 ， 一直到如今的航天时代 ， 是轮船、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技术的出现 ， 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 。
如今的大航天时代 ， 如果有星际旅行的机会 ， 你做好准备了么？
太阳系大家族示意图 。 离开地球引力的束缚后 ， 星际旅行并非一个自由的世界 。 太阳系中的恒星和行星引力摄动环境 ， 会轻易让你意识到人类能力的渺小 。 版权／NASA
旅行不易：复杂的引力环境和探测窗口
离开地球引力的束缚后 ， 星际旅行并非一个自由的世界 。 太阳系中的恒星和行星引力摄动环境 ， 会轻易让你意识到人类能力的渺小 。 地球很大 ， 它用强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（引力的理论影响范围是无限远） ， 人类最辉煌的时刻也仅是踏上38万千米外的月球 。 而逃离地月系统后 ， 我们将面对的是更加复杂的引力世界 ， 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 ， 都需要详细考虑 ， 这会对星际旅行飞船的轨道产生很大影响 。
举个最简单、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 。 按照天文学家开普勒总结行星运动得到的三大定律：行星距离太阳越远 ， 运动速度就会越慢 ， 环绕一周的距离也会越长 ， 最终环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变化 ， 从5500万到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 ， 叫做会合周期 。 从几何角度解释也容易理解：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 。 好比是操场中两个人跑步 ， 内圈跑得比较快的那个人 ， 套了外侧比较慢的那个人1圈 ， 二者再次会合 。 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 。 对于未来去火星的旅行航班 ， 毫无疑问也要遵循这个规律 ， 因为在可以预见的未来 ， 人类尚无法有效突破化学能的限制 ， 无法让科幻电影里的飞船成真 。
地球和火星的轨道周期、会合周期示意图 。 版权／毛新愿
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年代人类探测金星浪潮期间 ， 近40个探测任务就是遵循这个规律寻找最佳发射窗口 。 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大小和方向 ， 直到达到理想状态 ， 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 ， 往往数年才一次好机会 。
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