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太阳系中的“行星际超高速公路”
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Francis Reddy 文 Shea 编译 |
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借助行星的引力，探测器可以在不使用燃料的情况下游历于太阳系。 在过去的十年中，意在改进航天器轨道的科学家在太阳系中发现了一种“底层”的结构。但它并不是英国物理学家牛顿所描述的行星和卫星精确地绕太阳运动。 相反，这一新的太阳系结构是一种由行星和卫星间引力塑造的复杂而蜿蜒的“交通网”。在个交通网中任何东西——尘埃、陨石、小行星、彗星和航天器——都能轻而易举地在整个太阳系中运动。它被科学家们形象地称为“行星际超高速公路”。 许多航天器已经走过了行星际超高速公路。它们包括了美国宇航局（NASA）的“起源”探测器和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）以及欧洲空间局（ESA）的SMART-1月球探测器。 不过，行星际超高速公路的速度其实并不高，比使用化学火箭所花的时间要长得多，但是它省燃料。如果你愿意等待，那么这一更为漫长的旅途可以为你节省出探测器上最最珍贵的东西——推进剂。这同时也意味着，科学探测器可以以更低的成本去往更遥远的地方，使得探测太阳系中全新的目的地成为可能。  轻松“搭车” 对于传统的航天器而言，飞行所需的燃料是其关键因素。具体而言，这取决于你想要去达的目的地有多远、想在那里呆多久以及探测器要携带多少仪器。 以目前太阳系中飞行得最快、最远的“旅行者”1号探测器为例，它所携带的燃料占据了它初始质量的几乎一半。尽管美国宇航局喷气推进实验室的科学家使用木星的引力助推将它加速送往了土星、随后又利用土星将其送出太阳系，但是“旅行者”1号仍然需要使用推进剂来对它的轨道进行微调。对于环绕轨道器和着陆器而言，这一燃料问题会变得更严重。因为当它们到达目的地的时候必须使用燃料来大幅度地减小原有的速度。 行星际超高速公路为此提供了一个解决办法。现在可以利用多颗行星和卫星的复杂引力相互作用来设计航天器的轨道。由此产生的引力“通道”事实上可贯穿整个太阳系。 利用行星际超高速公路，航天器可以去往太阳系中的任何一个地方。无论你是从行星或卫星的表面发射航天器，还是从环绕行星或者卫星的轨道出发，只要操控得当行星际超高速公路都可以把你最终送达任何你想去的行星或者卫星的表面抑或是环绕这些天体的轨道。如果给予足够的时间，行星际超高速公路甚至还可以把探测器送出太阳系。 平衡点 行星际超高速公路的核心思想来自天文学和数学的不同分支。其关键之一就是，在任何两个相互绕转的天体周围存在着引力的平衡点。 对于任何一个这样的系统，引力会在这两个天体周围打造出5个平衡点。这其中有两个点非常稳定，它们可以捕获尘埃甚至是小行星（见《引力陷阱中潜藏着地球杀手？》）。尽管其他的点是不稳定的，但是航天任务设计者们在几十年前就认识到，在这些点周围航天器能够以非常小的代价来维持它们的轨道。 早在18世纪，科学家们就发现了这些平衡点。瑞士数学家欧拉（1707年－1783年）发现了其中的前3个，分别被称为L1、L2和L3。这三个点分列于连接两个相互绕转天体的直线上。 之后，法国数学家拉格朗日（1736年－1813年）发现了另外两个平衡点：L4和L5。它们位于质量较小的那个天体的轨道之上，分别在这个天体的前方和后方60°的地方。现在科学家们把所有这些点都称为拉格朗日点。  不稳定的选择 置于L1、L2和L3的物体会在其周围“飘荡”并最终离去，因为这些点是不稳定的。但是，围绕L4和L5的轨道运动则会被束缚在那里。最好的例子就是在木星的L4和L5点上存在有大约2,500颗特洛伊型小行星。 绝大多数科学家的兴趣都集中在L4和L5。例如，1975年有人提出L5将会是永久太空殖民的首选地点。 如果你想把某个东西束缚在某个地方，那么稳定性是至关重要的。但如果你想畅游太阳系，不稳定的拉格朗日点则会更为有趣。正是这一不稳定的特点可以使得哪怕一个小小的扰动就能对物体的轨道产生重大的影响。 1961年气象学家发现，即使初始条件只有非常微小的差异计算出的天气也会截然不同，这种对初值的敏感性被称为“蝴蝶效应”。推而广之，世界上某个角落的一只蝴蝶扇动翅膀就可能会改变另一个地方的天气。而数学家们则发展出了描述这些系统的“混沌理论”。 恰恰是L1、L2和L3的动力学不稳定性使得它们成为了行星际超高速公路的交叉路口。在这些点附近，航天器只需要轻轻一推就可以进入一条全新的轨道。最难以置信的是，航天器完全可以借此先飞往这些拉格朗日点，然后环绕它们，接着进入一条环绕太阳的轨道，最后再返回原地。 描述复杂性 设计行星际超高速公路的工具以及对混沌的现代数学描述都源自法国数学家庞加莱（1854年－1912年）的工作。他当时的初衷是寻找三体问题的精确解，即三个天体在相互引力作用下是如何运动的？ 他没有找到——至今也没有人找到。由于瞬息万变的复杂相互作用，三体问题是一个极难解决的问题。即便是对这个问题进行化简，把所有天体的运动都限制在一个平面内并且忽略其中一个天体的质量，它仍然十分艰巨。不过庞加莱还是找到了一种办法来描述它的复杂性。 他发现相似的轨道会构成一族。只要物体的能量不发生变化——例如推进器点火，它的轨道就会永远属于这一族。 庞加莱还发现了一些有关不稳定周期轨道的有趣现象，位于L1或者L2处的航天器正好就处于这类轨道。这些轨道包含了一类甚至可以在不需要改变轨道能量的情况下就能向外运动的不稳定轨道。而与此同时，它们还包含了一类可以束缚住探测器的稳定轨道。这两类轨道分别就是行星际超高速公路的入口和出口。  [图片说明]：ISEE-3的轨道。版权：ISEE-3/ICE/NASA。 居于拉格朗日点 1966年行星际超高速公路“破土动工”，当时有人提出了利用环绕地月系统L2点的轨道。由于地月系统的L2点位于月球背面一侧，因此在这样一条轨道上的卫星可以用于月球背面和地球间的通信中转。从地球上看去，这些轨道就像是围绕拉格朗日点的圆圈，因此被称为晕轨道。 几年后，美国宇航局向拉格朗日点发射了首个航天器。科学家们找到了一条途径把于1978年发射的国际太阳-地球探测器3（ISEE-3）送入了环绕日-地L1点的晕轨道。这使得ISEE-3可以连续不断地观测太阳并且监测从太阳吹出的带电粒子流。 尽管并不知情，但这是行星际超高速公路的首次尝试。毫无疑问，ISEE-3围绕日-地L1的晕轨道属于稳定轨道。但它其实也可以借由不稳定性脱离原先的晕轨道。 而这也正是任务控制中心所做的。1982年当ISEE-3的主要任务完成之后，它又踏上了新的旅途。在环绕日-地L2点的轨道上飞掠了月球5次之后，它获得了足够的能量进入了一条围绕太阳的轨道。在完成了最后一次月球飞掠之后，ISEE-3更名为国际彗星探测器（ICE），它也于1985年9月成为了第一个直接研究彗星的探测器。 与此同时，一个西班牙的科学家小组正在寻找一种简单的方法来把太阳和太阳风层探测器（SOHO）送入围绕日-地L1点的晕轨道。他们重新发现了庞加莱描述轨道的方法并且由此开发出了用于计算飞行路线的工具。 另一个问题接踵而至，从拉格朗日点延伸出的轨道究竟能到达多远？哪里才是它们的尽头？它们是否有可能从一颗行星延伸到另一颗行星？ “起源”的行星际高速之路 此后不久，美国宇航局就开始为对太阳风进行采样并且把样本送回地球的“起源”探测器设计轨道。2001年8月“起源”发射升空，3个月后飞抵日-地L1点。在它的推进器点火差不多5分钟之后，它进入了一条晕轨道。到2001年12月，“起源”探测器打开了它的收集装置，开始对太阳风粒子进行采样。在接下去的30个月里它在这条晕轨道上运行了5圈。 2004年4月“起源”探测器收起了它的样本采集装置，离开晕轨道，打道回府。在随后的5个月里，“起源”穿过地球运动到其后方，进入了一条围绕日-地L2点的轨道。这一看似毫无必要的迂回路线却把它的样本返回舱送上了一条能在白天着陆于美国犹他沙漠的轨道。 “起源”向世人证明，如果能合理的利用拉格朗日点以及由此形成的行星际超高速公路，那么可以大大地节省燃料。这一轨迹设计使得它可以自动离开晕轨道并且返回地球，更重要的是在这个过程中除了对探测器的速度和位置进行导航微调之外不需要使用任何燃料。  [图片说明]：“起源”探测器的轨道。版权：Genesis/JPL/NASA。 行星际“跳跃” 行星际超高速公路最令人兴奋的一点也许是，航天器可以借此轻而易举地从一颗行星转移到另一颗的引力范围之内。从每颗行星拉格朗日点出发的轨道会像草坪上转动的洒水器喷出的螺旋形水流一样向外延伸。由于这些轨道是在行星穿行于太阳系中的时候产生的，因此它们和行星的相对位置也是固定的。当来自一颗行星的轨道和另一颗的相交时，在这两颗行星间的低能量“跳跃”就成为了可能。 1996年科学家发现来自木星和土星拉格朗日点的轨道每过几十年就会相交一次。进一步的研究表明，所有的行星都是如此。利用这一系统，一个航天器、一块陨石、一颗彗星或小行星可以在数百年的时间里从柯伊伯带迁移到小行星带，反之亦然。 这些天体在太阳系中能毫不费力地自主导航能力着实解释了一些令人费解的现象。1943年，天文学家发现39P/奥特玛彗星的轨道位于木星的轨道之内。木星绕太阳公转的轨道周期是它的1.5倍（3:2共振）。但在1963年奥特玛彗星进入到了距离木星1,500万千米的地方，并最终运动到了木星轨道之外，轨道周期达到了木星的1.5倍（2:3共振）。 原来奥特玛彗星原先靠内在轨道就在太阳-木星L1点的边缘，而它后来靠外的轨道则会穿过太阳-木星的L2点。在整个过程中奥特玛彗星和木星间发生了多次密近交会，就像“旅行者”号一样借助了木星的引力来助推。除此之外，它还利用了与此相关的共振轨道。 设计行星际超高速 科学家们证明，任何两个拉格朗日点之间都存在相连的轨道。这让许多行星际旅行的热衷者兴奋不已。天文学家们则正在使用软件来开发更好的太阳系引力通道。这其中有许多特殊的轨道还没有被仔细地研究过。 以前科学家们一直在寻找的都是“自由下落”轨道，即仅仅考虑牛顿引力定律和行星以及卫星的运动。现在他们则希望综合使用行星际超高速公路的“免费便车”和航天器的动力推进以此来取得更好的效果。例如，一个探测器可以使用传统的强力推进器快速抵达木星，然后再使用行星际超高速公路游历于木星不同的卫星之间。而事实上，已经有人提出了类似的计划方案。 行星际超高速公路的应用之一就是在地-月的L1点上建造一个空间站作为交通枢纽。未来的空间望远镜将会是那里理想的访客。它可以方便地在靠近月球L1点的地方被建造，完工之后再通过行星际超级高速抵达日-地的L2点。在那里这架望远镜会对准和太阳以及地球相反的方向，因此它的视野将不会受到这两个天体的干扰。之后，如果它需要维修或升级，那么只要推进器轻轻一推它就可以通过行星际超高速公路回到位于地-月L1点的服务站。 利用同样的原理，去往更为遥远的目的地也是可能的。这个空间站将是载人或者机器人探测任务去往小行星、火星、巨行星以及更远目标的绝佳中转站。 牛顿为太阳系建立了秩序，庞加莱则以混沌治之。利用300多年来引力研究所带给我们的深入认识，行星际超高速公路将会使得人类比10年前任何人所能想象的更为频繁、快速、彻底地进入太空。 |
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2001-2016 火流星工作组制作
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